06章噪声系数分析仪

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6.2
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式中， 是在工作条件下输出端的（或单位带宽内的 ）噪声功率，（ Gs 是在工作条件下在规定的输出频 率时输出端的信号功率与在工作条件下对应于输入 频率的输入信号功率之比。
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3.
噪声系数的适用范围和意义
噪声系数的概念只适用于线性电路，包括准线性电 路，对于接收机是指检波器以前的电路部分。 对于非线性网络，由于信号和噪声有相互作用，即 使电路本身不产生噪声，输出信噪比与输入信噪比 也不同，也就是说，输出端的信噪比随输入端的信 号和噪声的大小而变化，因此不能采用噪声系数的 概念。 对于阻抗性质的源，噪声系数仍适用，只是源电阻 为源阻抗的电阻分量 Rs ，对于纯电抗源，噪声系数 已失去意义，此时将采用等效输入噪声电压来衡量 噪声性能的好坏。
热噪声是指处于一定热力学状态下的导体中所出现 的无规律涨落，它是由导体中自由电子的无规热运 动引起的，其大小取决于物体的热力学状态，如电 阻、气体放电管都会产生热噪声。 热噪声电压的平均值为零，故通常不用平均电压而 用均方电压、均方电流或功率来描述热噪声的大小 。 奈奎斯特在热力学统计理论的基础上导出电阻热噪 声电压均方值的表达式为
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对于噪声，也可利用傅里叶分析把时域中的噪声电 压或电流变换成频率的函数，各频率成分构成频谱 ，该频谱的幅度称为谱密度，它是描述噪声特性的 一个重要量值，按其谱密度分布又可分为白噪声、 1/f噪声等。 热噪声和散弹噪声均为白噪声，1/f噪声又称为低频 噪声或粉红色噪声，谱密度与频率成反比，如晶体 管中的闪烁噪声就属于1/f噪声。
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常见的噪声是由大量短促脉冲叠加而成的随机过程 ，它符合概率论的规律，可以用统计的方法进行处 理。 通信技术中常把噪声分为自然界噪声（大气噪声、 宇宙噪声）、人为噪声、电路噪声（热噪声、散弹 噪声）等几种类型。
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（ 1）
热噪声。
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式中，k为玻尔兹曼常数，T为电阻温度（K）、R为 电阻值（Ω）、B为测试设备的带宽（Hz）。 由等效电压源可知，当接入温度为T，电阻为R时， 在带宽B内产生的资用噪声功率为
从式（ 6.2 ）可以看出，资用热噪声功率是温度 T 的 普适函数。
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超噪比。 定义为噪声源超过标准噪声温度 T0 的热噪声的倍数 ： 式中，ENR为Excess Noise Ratio的缩写，超噪比的物 理意义为单端口网络中存在的噪声超过不可避免的 热噪声的倍数。 rn定义为噪声源的噪声比，若rn= l，表示单端口网络 仅存在不可避免的热噪声。 一般固态噪声源和气体放电管噪声源的等效输出噪 声 温 度 通 常 为 10000~20000 K ， 用 ENR(dB) 表 示 为 15.2~18.3 dB。 由此可见，用超噪比表示单端口网络噪声更为方便 。
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噪声系数的引入对接收机系统具有重要意义。 众所周知，在一接收机系统中，灵敏度是衡量接收 机性能的重要指标，而噪声系数对接收机灵敏度又 有直接影响。 从输出信噪比等于1时的最小可接收信号（即灵敏度 ）可得灵敏度与噪声系数的关系式如下： 式中，-174 dBm表示290K时，1 Hz带宽内的噪声功 率；B为接收机带宽，单位为Hz；F(dB) 为接收机的 噪声系数。
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由于噪声是一种电的随机过程，不能确切地给出数 学表达式，但可用统计的方法进行描述，其方差与 噪声电压或电流的均方值相对应，标准偏差是方差 的平方根，表示和平均值偏离的程度。 标准偏差越小，数值越接近平均值，它对应于噪声 电压或电流的均方根值。 若两个不相关的噪声合成，其均方值是各个均方值 之和。
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需要说明的是，在极高的频率和极低的温度下，由 于量子效应，式（6.2）将有一定的近似性，这时需 要运用由量子理论导出的奈奎斯特定理完全表达式 ，而且需要强调的是，奈奎斯特公式应满足电阻处 于热平衡状态这一条件。 然后，由式（6.2）可得出资用热噪声功率的谱密度 为 式（6.3）表明：电阻输出的单位带宽资用噪声功率 只与热力学温度（ K ）成正比，与电阻的类型和阻 值无关（与电阻的端电压及通过的电流无关）。
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工作噪声温度。 噪声系数与等效输入噪声温度的概念本质上都是用 来描述被测件内部噪声特性的。 但一个系统在工作时既受到内部噪声的影响，同时 又受到外部噪声的影响，有时外部噪声可能影响更 大，这时噪声系数与等效输入噪声温度不能很好地 描述被测系统的噪声性能，为此引入工作噪声温度 的概念。 它描述在内部噪声和外部噪声作用下被测系统工作 时的噪声特性，定义为
6.2 相关基础知识
1. 噪声 噪声和信号是两个对立统一的概念，无论在电子学 还是其他领域都是如此。 噪声是一种自然现象，是物质的一种运动形式。 从广义上讲，噪声就是扰乱或干扰有用信号的不期 望的扰动，它使通过网络传输的信号受到干扰或使 之失真，使电子设备的性能（稳定度、可靠性、灵 敏度、分辨率等）降低。
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6.1概述
经过不断的发展，噪声系数测量逐渐从模拟直读式 过渡到智能化显示，从有限几个中频输入的测量到 任意频率连续可调的扫频测量，测量的速度、精度 有了明显的提高，功能也扩展了很多。 从世界范围来看，20世纪80年代中后期噪声系数测 量就进入智能化状态，但由于当时的电子测量技术 所限，对于单边带频率范围覆盖0.01〜26.5GHz整个 微波频段，需要采用分体式组成测量系统来实现， 从而存在着系统庞大、配置费用高、操作人员需要 记住很多操作代码、人机界面不友好、测量速度相 对较慢等不足。
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2. 线性网络噪声特性的表征 （1） 单端口网络（噪声源）噪声的表征参数。 资用噪声功率。 是单端口网络所能传输到负载上的最大功率，仅与 噪声发生器的特性有关而与负载无关。 资用噪声功率谱密度Wn定义为单位带宽内的资用噪 声功率。
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6.1概述
例如，对于雷达、通信等电子接收设备，在不增加 发射功率或系统复杂度的前提下，系统的噪声系数 越小，接收机的作用距离就越远，性能越好。 同时，噪声系数对通信系统整体性能和成本的重要 性也是显而易见的。 例如，把卫星接收机的噪声系数减小一半，与把卫 星转发器的功率增加 25% 在性能上具有相同的效果 。 此外，在微波元器件、 部件研制过程中，也不可避 免地需要对其噪声系数进行测试，确定其噪声特性 对整件及整机的影响。 因此，对噪声系数进行快速、准确的测量有着重要 的意义。
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（2） 散弹噪声。 散弹噪声又称散粒噪声，是由有源器件中的直流电 流或电压随机起伏造成的。 散弹噪声存在一个直流电流，而热噪声电压与直流 无关。 散弹噪声的平均电流起伏为零，其量值大小也用均 方电流、均方电压或功率来表示。 应当说明的是，有源或无源器件产生热噪声，而散 弹噪声仅产生于有源器件之中，散弹噪声可以通过 无源器件，但它必须先在有源器件中产生。 散弹噪声的电流均方值为 式中，e是电子电荷1.59×10-19 (C)，I是直流电流（A ），B是接收带宽（Hz）。
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由式（ 6.10 ）可知，系统噪声系数越小，灵敏度就 越高，在一定带宽下系统可接收的信号功率就越小 。 应该注意，噪声系数测量的目的主要是确定线性网 络的噪声系数（双端口特性），而非绝对的噪声电 平（单端口特性），它可测量由放大器等造成的噪 声分配，而不是放大器正在产生的噪声电平（当然 这两者之间存在内在的联系），噪声计可以进行绝 对噪声功率的测量。
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(2) 双端口网络噪声的表征参数。 等效输入噪声温度。 一个实际的双端口线性网络，设网络增益为 G ，那 么其输出端产生的总噪声功率 Nout 应为：网络输入 端电阻R产生的噪声功率Ni和网络内部噪声功率在输 出端的贡献之和。 将实际网络用理想网络代替，把网络内部噪声折合 到输入端，用等效输入噪声功率Ne和等效输入电阻 Re 来表示，则从通过理想网络传输到输出端所贡献 的噪声功率将与网络内部噪声功率在输出端的贡献 相等。 由此得到：
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标准噪声温度T0。 由于微波设备都在一定的环境温度下工作，不可避 免地存在噪声，为了度量噪声大小，规定标准噪声 温度为T0=290 K。 引入标准噪声温度使噪声测试中的一些术语有了明 确的定义。 等效输出噪声温度。 它表示噪声源实际输出的噪声温度。 由于传输线的失配和传输损耗等，噪声源输出的噪 声温度与噪声源的计算噪声温度有所偏离。 经过传输线损耗、失配等进行修正之后的噪声温度 才是等效输出噪声温度。
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近年来，部分国外公司开始在频谱分析仪、网络分 析仪等仪器中加入选件，无须繁杂的操作步骤和数 学计算即可实现一定范围内噪声系数和增益的快速 测量，成为性能和价格折中考虑的简易解决方案。 随着我国军用电子技术的不断发展，在装备的研制 、生产、验收、维护维修等阶段均需要一种系统配 置简洁、用户界面友好、测量精度高、速度快、超 噪比测量方便并具有多种外设接口的噪声系数分析 仪。 新一代微波噪声系数分析仪在测量功能和性能指标 上都有了新的突破，满足了军用和民用技术领域对 噪声系数日益增长的测试需求，代表着国内噪声系 数测量技术的最高水平。
第6章噪声系数分析仪
6.1概述
随着通信、导航和雷达等技术的迅猛发展，对元器 件、子系统以及整系统的噪声性能要求越来越髙。 为了检测器件的性能，度量通信等设备接收微弱信 号的能力，迫切需要精确地测量器件与设备的噪声 特性。 在军事领域，几乎所有包括接收系统的精确制导、 雷达、电子对抗等军事应用，都需要进行噪声系数 测量，这直接关系到武器系统的作用距离、探测精 度、探测灵敏度等重要指标。
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噪声温度。 根据奈奎斯特定理，资用热噪声功率是温度的普适 函数，故一个噪声源可以用噪声温度来表示。 噪声温度是人们约定的噪声功率谱密度的单位，用 热力学温度单位K表示。 由式（6.3）可知，电阻处于物理温度Tn时： Tn 就称为该电阻的噪声温度，表征其噪声的大小。 由此可见，若一个噪声源的噪声温度已知，用它计 算出的资用热噪声功率与该噪声源产生的噪声功率 相同。 但要需要注意的是，噪声源的噪声温度不一定是它 的物理温度。
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注意：在噪声系数的定义中，规定输入端（源阻抗 ）处于290 K。 有些系统对应于每个输入频率有不只一个输出频率 ，噪声系数是针对每一对相应频率定义的。 对于具有单个输入和输出频率的单响应线性二端口 网络，其等效输入噪声温度与噪声系数的关系可由 式（6.7）求得。
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由式（6.7）求出实际网络的等效输入噪声温度为
式中， Ti 为网络输入端电阻（或等效输入电阻）的 噪声温度。
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噪声系数。 当规定输入端温度处于T0= 290 K时，网络输入端信 号 / 噪声功率比与输出端信号 / 噪声功率比的比值定 义为噪声系数，计算公式为 式中，F是噪声系数，N0是输出的总噪声功率，B是 接收带宽，k是玻尔兹曼常数 (1.38×10-23J/K)，T是 输入噪声温度，G是被测件的资用增益（KTB）是热 噪声，存在于不为 0K的所有导体中）。