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射频接收机指标-噪声系数

一.噪声

       这里介绍射频接收机主要指标-噪声。电子电路中的噪声主要来源电阻热噪声、晶体管场效应管以及电容电感等器件。

       计算一个有噪电阻R在频带宽度B内的噪声时,可以看成一个无噪电阻R和一个噪声电源并联或一个噪声电压源串联。

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eq?%5Coverline%7BI_%7Bn%7D%5E%7B2%7D%7D%3D4KTB%5Cfrac%7B1%7D%7BR%7D;  eq?%5Coverline%7BV_%7Bn%7D%5E%7B2%7D%7D%3D4KTBR

     由电路理论知,一个内阻为Rs,电动势为Vs的信号源能够输出的最大功率称此功率为信号源的资用功率(available power),或称额定功率。它只与信号源本身有关,与负载无关,表示信号源输出功率的最大能力。与此相同,若把电阻R的热噪声作为噪声源,则当此噪声源的负载与它匹配时,它所能输出的最大噪声功率,也称为该电阻热噪声源的资用噪声功率,或称额定噪声功率。其值为

eq?N_%7BA%7D%3D%5Cfrac%7BV_%7BS%7D%5E%7B2%7D%7D%7BR_%7Bs%7D%7D%3D%5Cfrac%7B4KTRB%7D%7B4R%7D%3DKTB

它与电阻本身的大小无关,仅与温度和系统带宽有关。

二.噪声系数

     表示信号经过一个系统或网络后信噪比的恶化程度,直接定义式为输入信噪比与输出信噪比的比值。

eq?F%3D%5Cfrac%7B%5Cfrac%7BP_%7Bi%7D%7D%7BN_%7Bi%7D%7D%7D%7B%5Cfrac%7BP_%7Bo%7D%7D%7BN_%7Bo%7D%7D%7D

可以看出,噪声系数表征了信号通过系统后,系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。如果系统是无噪的,不管系统的增益多大,输入的信号和噪声都同样被放大,而没有添加任何噪声,因此输入输出的信噪比相等,相应的噪声系数为1。有噪系统的噪声系数均大于1。

常用dB表示,eq?NF%3D10%5Clog%20F

三.等效噪声温度

      任何一个线性网络,如果它产生的噪声是白噪声,则可以用处于网络输人端,温度为eq?T_%7Be%7D的电阻所产生的热噪声源来代替,而把网络看作无噪的。称温度eq?T_%7Be%7D为该线性系统的等效噪声温度。

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     放大器输入端的源内阻为Rs,放大器的功率增益为Gp,带宽为B,由放大器本身产生的输出噪声功率为N,由于温度为eq?T_%7Be%7D的电阻的额定热噪声功率是KTB,此热噪声功率经放大器传输后为N。根据等效噪声温度的定义,有N=KTBGp。因此等效噪声温度与系统参数的关系式为

 eq?T_%7Be%7D%3D%5Cfrac%7BN%7D%7BKBG_%7Bp%7D%7D

 四.等效噪声温度与噪声系数关系

     有噪放大器的参数是带宽B,功率增益G及等效噪声温度eq?T_%7Be%7D。设输入放大器的信号功率和噪声功率分别是eq?P_%7Bi%7Deq?N_%7Bi%7Deq?N_%7Bi%7D是由信号源内阻Rs处于环境温度eq?T_%7Bo%7D所产生的热噪声,因此eq?N%3DT_%7Bo%7DKB。根据等效噪声温度的定义,有噪放大器的噪声可以折合到放大器的输入端,看作是由信号源内阻处于温度eq?T_%7Be%7D时产生的热噪声,而把放大器视为无噪的。经放大器传输后,设输出信号功率和噪声功率分别为eq?P_%7Bo%7Deq?N_%7Bo%7D,则有

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N_%7Bo%7D%7D%3D1+%5Cfrac%7BT_%7Be%7D%7D%7BT_%7Bo%7D%7D

 eq?T_%7Be%7D%3D%28F-1%29T_%7Bo%7D

由上式可知,对于一个无噪系统,由于F=1,即噪声系数为0dB,它的等效噪声温度也为零。应注意,器件的噪声系数一般在常温(290K)下测量。当输入等效噪声温度不是290K时,如在100K下,一个3dB噪声系数的器件会有接近6dB的影响效果。

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五.级联噪声系数 

      在接收机中,射频信号经诸如滤波器、低噪声放大器、混频器及中频放大器等单元模块的传输,由于每个单元都有固有噪声,经传输后都将输人信噪比变差。

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已知第一级输入噪声功率eq?N_%7Bi%7D%3DKT_%7Bo%7DB,根据等效噪声温度的定义,第一级的输出噪声功率是

eq?N_%7B1%7D%3DG_%7Bp1%7DKT_%7Bo%7DB+G_%7Bp1%7DKT_%7Be%7DB

第二级输入噪声功率

eq?N_%7B0%7D%3DG_%7Bp2%7DN_%7B1%7D+G_%7Bp2%7DKT_%7Be2%7DB%3DG_%7Bp1%7DG_%7Bp2%7DKB%28T_%7Bo%7D+T_%7Be1%7D+%5Cfrac%7BT_%7Be1%7D%7D%7BG_%7Bp1%7D%7D%29

由于两级级联系统的等效噪声温度是eq?T_%7Be%7D,因此两级总的输出噪声功率eq?N_%7Bo%7D又可表示为 

 eq?N_%7B0%7D%3DG_%7Bp1%7DG_%7Bp2%7DK%28T_%7Bo%7D+T_%7Be%7D%29B

因此, 

 eq?T_%7Be%7D%3DT_%7Be1%7D+%5Cfrac%7BT_%7Be2%7D%7D%7BG_%7Bp1%7D%7D

可以推导出总的等效噪声温度和噪声系数分别为 

eq?T_%7Be%7D%3DT_%7Be1%7D+%5Cfrac%7BT_%7Be2%7D%7D%7BG_%7Bp1%7D%7D+%5Cfrac%7BT_%7Be3%7D%7D%7BG_%7Bp1%7DG_%7Bp2%7D%7D+..... 

eq?F%3DT_%7B1%7D+%5Cfrac%7BF_%7B2%7D-1%7D%7BG_%7Bp1%7D%7D+%5Cfrac%7BF_%7B3%7D-1%7D%7BG_%7Bp1%7DG_%7Bp2%7D%7D+.....  

注意:无源器件,如滤波器,衰减器等,其插损等于噪声系数,插损相反数为增益。假设最前端有衰减器与放大器,当衰减器衰减为0,则系统噪声系数接近为放大器噪声系数;当衰减器衰减较大,则系统噪声系数(dB)约为二者相加(dB)。

结论:1.噪声系数可等价于等效噪声温度考虑系统,这是两种不同的方法去考虑同一个问题;

              举例:3dB衰减器放在第一级和最后一级对于信噪比的影响是不同的。因为器件的噪声系数都是在eq?T_%7Bo%7D为常温290K输入情况下进行测量的。处于后面时,等效输入温度由于升温不再是常温。

           2.表示信噪比恶化程度,用dB表示。计算时需用十进制再转换为NF; 

           3.从公式可以看出,第一级和第二级对F影响最大,一般为滤波器和低噪放。PF在前,可抑制干扰信号,但对F不友好。LNA在前,对F较好但增益较大的LNA会对混频器造成影响。

 

 

 

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