噪声系数信噪比分析.

8.3信噪比和噪声系数8.3.1信噪比信噪比：衡量一个信号质量优劣的指标。它是在指定频带内，同一端口信号功率sP和噪声功率nP的比值，即/snPSNP当用分贝表示信噪比时，有/()10lgsnPSNdBP信噪比越大，信号质量越好。8.38.3.2噪声系数噪声系数定义：线性四端网络输入端的信噪比与输出端的信噪比之比值。s是信号源电压，n是信号源内阻sR的等效噪声源电压；LR是负载。8.3.2sR是信号源内阻，线件四端网络如图8.3.1所示，图中一、噪声系数设输入端的信号功率为siP，由信号源内阻产生的噪声功率为niP，而网络的输出端负载上所得到的信号、功率和噪声功率分别为soPnoP，噪声系数定义为siniFsonoPPNPP输入信噪比输出信噪比或用dB表示为()10lgsiniFdBsonoPPNPP噪声系数通常只适用线性网络，因为非线性电路会产生信号和噪声的频率变换，噪声系数不能反映系统的附加噪声性能。opiPGP则噪声系数可以改写为sinisinonoFsonosonipniPPPPPNPPPPGP式中，pniGP为信号源内阻sR产生的噪声经过线性网络后在输出端产生的噪声功率；8.3.2若设线性网络的功率增益而线性网络输出端的总噪声功率noP应等于pniGP和线性网络本身的噪声在输出端产生的噪声功率anoP之和，即nopnianoPGPP显然，nopniPGP，故线性网络的噪声系数FN总是大于1。为了更清楚地了解网络产生的噪声，对信噪比的影响，噪声系数又可表示为1anopnianoFpnipniPGPPNGPGP（1）当线性网络本身不产生噪声，即0anoP时，1FN，故为无噪声的理性网络。（2）线性网络本身产生的噪声anoP越大，噪声系数FN越大。（3）线性网络的功率增益pG越大，噪声系数FN越小。8.3.2由上式可以得出下述结论：这说明为了降低网络的噪声系数应设法增大线性网络的功率增益。为了使信号源有最大输出功率，对于图8.3.2所示的网络，必须使放大器的输入电阻iR与信号源内阻sR相匹因而额定输入信号功率为24ssisVPR额定输入噪声功率2444nsnisskTRBPkTBRR8.3.2为了计算和测量的方便，噪声系数也可以用额定功率（RatedPower）和额定功率增益的关系来定义。所谓的额定功率是指信号源所能输出的最大功率。isRR配，也即应使。由上两式知，不管信号源内阻如何，它产生的额定噪声功率是相同的，其大小只与电阻所处的环境温度T和系统带宽B有关。是为什么接收机采用低内阻天线的原因。而信号源额定功率却随着内阻sR的增加而减小，这也放大器的额定功率增益是指放大器（或线性网络）的输入端和输出端分别匹配（率增益，即sopHsiPGPisRR、oLRR）时的功线性网络输出端的总噪声额定功率noP同样应等于pHniGP和线性网络本身的噪声在输出端产生的额定噪声功率anoP之和，即nopHnianoPGPP，所以噪声系数可以表示为1sipHnianoninoanoFsonipHnipHnipHnoPGPPPPPNPPGPGPGP8.3.2将额定输入噪声功率式代入可得1noanoFpHpHPPNkTBGkTBG假如，有两个四端网络级联，如图8.3.3所示。它们的噪声系数、额定功率增益、噪声带宽分别为根据定义，级联网络的总噪声系数FN为121212nonoFpHnipHniPPNGPGkTB8.3.2二、多级放大电路的噪声2B2pHG，1B、，并且12BBB。、1FN、2FN1pHG，式中，noP是级联四端网络总输出的额定噪声功率。1212pHpHpHGGG是级联网络总的额定功率增益。由三部noP分组成：①信号源内阻sR产生的噪声经过两级放大后在输出端的噪声额定功率12pHpHGGkTB；②第一级网络内部噪声1anoP经第二级放大后在输出端的噪声额定功率21PHanoGP；8.3.2121212nonoFpHnipHniPPNGPGkTB③第二级网络的内部噪声输出端的噪声额定功率2anoP故noP可表示为12212nopHpHpHanoanoPGGkTBGPP由式1noanoFpHpHPPNkTBGkTBG可求得第一级、第二级网络的内部噪声1anoP和2anoP为121212nonoFpHnipHniPPNGPGkTB111(1)anoFpHPNGkTB222(1)anoFpHPNGkTB8.3.2所以212111FFFpHNNNG对于三级电路组成的级联网络，可将前两级看做第一级，后面一级看做第二级，则可得到123FN为33212312112112111FFFFFFpHpHpHpHNNNNNNGGGG同理，对n级电路组成的网络，总的噪声系数为3212111212111FFnFFnFpHpHpHpHpHpHnNNNNNGGGGGG8.3.2若各级噪声系数小而额定功率增益大，级联电路的由以上公式可得出如下结论：8.3.2FN小。但是各级噪声对的影响是不同的，FN总噪声系数越是靠近前面几级的噪声系数和额定功率增益对总的噪声系数影响越大。因此级联电路中最主要的是前面的第一、二级，最关键的是由第一级放大器的噪声系数1FN和额定功率增益1pHG所决定。三、等效噪声温度eT把网络的内部噪声折算到其输入端时，使噪声源电阻所升高的温度称为等效噪声温度。eT由于噪声源在网络输出端的额定噪声功率为nipHopHPGkTBG内部噪声在网络输出端的额定功率为。pHeGkTB所以网络的噪声系数FN可表示为111peanoeFnipHpooGkTBPTNPGGkTBT8.3.2噪声温度的定义是：所以，等效噪声温度为(1)eFoTNT＝290K。式中，oT是标准温度，在一般情况下，可以认为oT当eT＝0时（网络内部无噪声），FN＝l，(dB)FN＝0dB＝290K。（内部噪声等于外部噪声）时，当eT＝2，FN(dB)FN＝3dB。8.3.28.3.3减小噪声系数的措施在放大或其它电路中，电子器件的内部噪声起着重要作用。因此，改进电子器件的噪声性能和选用低噪声的电子器件，就能大大降低电路的噪声系数。根据上面讨论的结果，可提出如下减小噪声系数的措施：一、选用低噪声元、器件FN小的管子（可由手册查得，但必须是高频工作时的数值）。除采用晶体管外，目前还广泛采用场效应管做放大器和混频器，因为场效应管的噪声电平低，尤其是最近发展起来的砷化镓金属半导体场效应管（MESFET），它的噪声系数可低到0.5～ldB。8.3.3br（bbr）和噪声系数FN对晶体管而言，应选用在电路中，还必须谨慎地选用其他能引起噪声的电路元件，其中最主要的是电阻元件。宜选用结构精细的金属膜电阻。图8.3.4可看出，对于不同的信号源内阻SR，最佳的EQI值也不同。图8.3.4晶体管的FN与EQI的关系曲线当然，FN还分别与晶体管的CBQV和CEQV有关。但通常CBQV和CEQV对FN的影响不大。电压低时，略有下降。FN8.3.3二、正确选择晶体管放大级的静态工作点三、选择合适的信号源内阻SR信号源内阻SR变化时，也影响的大小。当FNSR某一最佳值时，可达到最小。SR根据上面的讨论，噪声电压都与通带宽度有关。接收机或放大器的带宽增大时，接收机或放大器的各种内部噪声也增大。因此，必须严格选择接收机或放大器的带宽，使之既不过窄，以能满足信号通过时对失真的要求，又不致过宽，以免信噪比下降。8.3.3四、选择合适的工作带宽热噪声是内部噪声的主要来源之一，所以降低放大器、特别是接收机前端主要器件的工作温度，对减小噪声系数是有意义的。对灵敏度要求特别高的设备来说，降低噪声温度是一个重要措施。8.3.3共发一共基级联的放大器、共源一共栅级联的放大器都是优良的高稳定和低噪声电路。五、选用合适的放大电路六、热噪声