通信电子电路—噪声与干扰特点和措施课件

通信电子电路通信电子电路噪声与干扰噪声与干扰特点和措施特点和措施本章教学内容本章教学内容l1.1 噪声的来源和特点l1.2 噪声的表示和计算l1.3 降低噪声系数的措施l1.4 干扰l1.5 低噪声放大器l总结2本章教学重点本章教学重点l1.1 噪声的来源和特点电阻的热噪声l1.2 噪声的表示和计算噪声系数31.1 1.1 噪声的来源和特点噪声的来源和特点l噪声和干扰噪声(noise)：电路内部产生的无用信号干扰(interference)：来自电路外部的无用信号l课外知识：噪声在无线通信中的影响41.1.1 1.1.1 电阻的热噪声电阻的热噪声定义定义l电阻的热噪声是电阻内部的自由电子无规则热运动形成许多持续时间极短的脉冲电流叠加的结果：电流总和为零；每一瞬时，电流在某一方向都有一定数值；电流脉冲持续时间极短，因此热噪声频谱很宽(又称白噪声)l衡量具有随机性的噪声不能直接将电流叠加，通常以噪声电压均方值来衡量：51.1.1 1.1.1 电阻的热噪声电阻的热噪声重要公式重要公式l噪声的频域描述-功率谱或均方电压谱，均方电压谱=单位电阻上的功率谱l电阻两端产生的热噪声的均方电压谱密度为：6其中k=1.38e-23，T=摄氏度+273。假定系统工作频带(或测量带宽)为f，则有：o4kTR与频率无关，所以热噪声也称白噪声1.1.1 1.1.1 电阻的热噪声电阻的热噪声噪声等效电噪声等效电路路l依据诺顿定理：也即噪声的均方电流值为：7o电阻的噪声等效电路图如下：1.1.1 1.1.1 电阻的热噪声电阻的热噪声电阻的额定电阻的额定噪声功率噪声功率l额定功率的简单定义：阻抗匹配时，网络输入输出功率达到最大，即为额定功率。8o电阻R在负载上产生的额定噪声功率：1.1.1 1.1.1 电阻的热噪声电阻的热噪声噪声在网络噪声在网络中的传递、等效噪声带宽、中的传递、等效噪声带宽、3dB3dB带宽带宽l假定 分别表示输入、输出噪声均方电压谱密度，表示传输函数，则有：9o等效噪声带宽BWn：将滤波器(传输函数)等效为积分面积相同且H02一致的矩形滤波器的带宽1.1.1 1.1.1 电阻的热噪声电阻的热噪声噪声在网络噪声在网络中的传递、等效噪声带宽、中的传递、等效噪声带宽、3dB3dB带宽带宽l3dB带宽(半功率点带宽)：在滤波器3dB带宽边界，等于 的一半l例题：例1.1.3，增加问题：图1.1.3b无噪声网络的3dB带宽和等效噪声带宽是多少？101.1.2 1.1.2 晶体管的噪声晶体管的噪声l热噪声：基区体电阻 是主要噪声源11o散粒噪声：由载流子通过PN结的随机性引起，又称“散弹噪声”：散粒噪声是白噪声，也是电流噪声，所以低噪声放大器中第一级的工作电流设计较小1.1.2 1.1.2 晶体管的噪声晶体管的噪声l分配噪声：由载流子在基区复合的随机性引起。工作频率越高，分配噪声越大，因此分配噪声不是白噪声l低频噪声：闪烁噪声或爆裂噪声。与晶体管表面状态或内部缺陷有关。闪烁噪声强度与频率成反比，又称“1/f噪声”121.1.3 1.1.3 场效应管的噪声场效应管的噪声l沟道热噪声：主要源自沟道电阻：l栅极感应噪声：了解即可，非白噪声l闪烁噪声：与晶体管的成因类似l栅极散粒噪声：其值比双极型晶体管小得多131.1.3 1.1.3 场效应管的噪声场效应管的噪声l双极晶体管和场效应管噪声的比较14噪声种类双极晶体管场效应管附热噪声主要来自主要来自散粒噪声有小或无栅极散粒噪声分配噪声有无栅极感应噪声小高频时场效应管栅极感应噪声会变大低频(闪烁)噪声有有n低频时，场效应管噪声小(无分配噪声，散粒、栅极感应噪声小)，高频时场效应管噪声增大，有可能超过双极晶体管(栅极感应噪声变大)1.1.4 1.1.4 二极管的噪声二极管的噪声l二极管正偏：散弹噪声低频范围还要考虑闪烁噪声l二极管反偏（散弹噪声较小）：齐纳型稳压管：l散弹噪声l频率较低时也有1/f噪声雪崩型稳压管（噪声大于齐纳型稳压管）l除散弹噪声外还有多态噪声151.1.5 1.1.5 天线噪声天线噪声l为工程方便，天线噪声统一用如下参数计算：辐射电阻：RA等效噪声温度：TaBWn：接收机等效噪声带宽l当天线与接收机输入端匹配时，输入接收机的天线噪声功率为：161.1.6 1.1.6 多个噪声源作用于电路时的计多个噪声源作用于电路时的计算算l若各噪声源互不相关，总的均方电压等于各噪声源均方电压之和，对k个噪声源有：17o互不相关噪声源的均方相加性质是计算噪声电路的基本法则o课外知识：以上法则（相关信号相加，其总功率增加的速度高于不相关信号信号相加时的功率变化）在无线通信中的意义1.2 1.2 噪声的表示和计算噪声的表示和计算l噪声对信号的影响，在电路某一点上，通常用信噪比(S/N)表示:18o某电路从输入到输出注入的噪声需要用噪声系数衡量1.2.1 1.2.1 噪声系数噪声系数定义定义l对线性四端网络，噪声系数F定义为：入信噪比/出信噪比。若用dB表示：NF=入信噪比(dB)-出信噪比(dB)l对于级联的多级放大器，假定每级噪声系数为F1，Fn，每级放大系数为Ap1，Apn，则级联的总噪声系数为：19o该公式说明什么？1.2.1 1.2.1 噪声系数噪声系数公式的变形公式的变形l参考p19对变量Psi、Pso、Pni、Pno、Ap、Pnio、Pnao的定义，有：20o可见噪声系数的值总是大于1的，仅理想无噪声电路噪声系数等于1，即0dB1.2.1 1.2.1 噪声系数噪声系数计算计算l按定义计算(式1.2.1)211.2.1 1.2.1 噪声系数噪声系数计算计算l额定功率法l开路电压法和短路电流法22一个重要的例子(右图)：求负载上的信噪比结论：信号源与负载连接，负载上的信噪比与负载大小无关1.2.1 1.2.1 噪声系数噪声系数计算：例计算：例1.2.11.2.1l额定功率法分别假定输入输出匹配(Rs=R+RL、RL=Rs+R)，进行计算23o输入，输出匹配时，n所以上式可化简为：1.2.1 1.2.1 噪声系数噪声系数计算：例计算：例1.2.11.2.1l额定功率法241.2.1 1.2.1 噪声系数噪声系数计算：例计算：例1.2.11.2.1l开路电压法251.2.1 1.2.1 噪声系数噪声系数计算：例计算：例1.2.11.2.1l短路电流法261.2.1 1.2.1 噪声系数噪声系数无源有耗网络的无源有耗网络的噪声系数噪声系数l网络匹配时：27o无源有耗网络的F也称为插入损耗(L，插损)o注意：插损的级联计算与级联噪声系数公式的矛盾？！1.2.1 1.2.1 噪声系数噪声系数总结总结l定义。注意与dB的转换l记住级联放大噪声系数公式l理解噪声系数公式的变形l理解计算噪声系数方法的实质：由于信号源输出信噪比与负载无关，可以对负载做出不同假定：假定负载开路-只计算均方电压比假定负载短路-只计算均方电流比假定负载匹配-利用额定功率计算281.2.2 1.2.2 等效噪声温度等效噪声温度l将有噪线性网络的内部噪声视为信号源内阻Rs处于温度Te时产生的噪声，而将原网络看作理想无噪声网络，这个Te就称为等效噪声温度29即：由式：有1.2.2 1.2.2 等效噪声温度等效噪声温度l级联网络等效噪声温度与噪声系数公式类似：30n引入等效噪声温度后，可以将网络噪声与等效噪声温度为Ta的天线噪声（即信号源噪声）相加，作为总的输入噪声，而把网络看作是无噪的。当信号源与网络输入端匹配时总的输入噪声功率为：n引入等效噪声温度的另一个好处是为衡量网络噪声性能提供更好的分辨率。参考表1.2.11.2.3 1.2.3 放大器的通用噪声等效电路放大器的通用噪声等效电路l考虑右图等效电路，计算噪声系数311.2.3 1.2.3 放大器的通用噪声等效电路放大器的通用噪声等效电路321.2.4 1.2.4 噪声系数与灵敏度噪声系数与灵敏度l灵敏度：给定接收机要求的输出端信噪比的条件下，接收机所能检测的最低输入信号电平：33o以dB表示时：o当TaTo290K时，灵敏度为：1.3 1.3 降低噪声系数的措施降低噪声系数的措施l选用低噪声元器件l正确选择晶体管的直流工作点l选择合适的信号源内阻l选择合适的工作频带l选用合适的放大电路l降低前端热噪声341.4 1.4 干扰干扰l工业干扰：通常是由产生电火花的装置引发的，如引擎点火系统、荧光灯、电动机的整流器、电器开关等 除直接辐射外，更主要的是沿电力线传输 从工业干扰的性质看，大都属于脉冲干扰 l天电干扰：自然界的雷电现象是天电干扰的主要来源 351.5 1.5 低噪声放大器低噪声放大器l低噪声放大器的主要性能指标是：低的噪声系数(NF)足够的线性范围合适的增益输入输出阻抗的匹配(衡量指标：反射系数或驻波比)输入输出间良好的隔离低电源电压和低功耗(对移动通信尤为重要)36总结总结1.11.1节节37总结总结1.21.51.21.5节节38作业作业39o1.1.1o1.2.1o1.2.3 补充内容补充内容(1)(1)：级联噪声系数的推导：级联噪声系数的推导1 140o用公式F=1+Pnao/(Ap*Pni)求出各级Pnao推导:则：该推导方法摘自：董在望，通信电路原理第二版，131页补充内容补充内容(1)(1)：级联噪声系数的推导：级联噪声系数的推导2 241o利用等效噪声温度公式Te=(F-1)To推导:假定输入端匹配：则第一级放大器的Pno为：即可将源端与第一级放大器总的噪声温度视为：则总的Pno为：级联噪声系数为：补充内容补充内容(2)(2)：计算如下网络的噪声系：计算如下网络的噪声系数数42o利用额定功率法计算谢谢 谢！谢！43