监测接收机等效噪声温度分析

监测接收机等效噪声温度分析
【摘要】文章从RDSS系统运行的实际情况出发，对地面监测接收机的热噪声进行了论述，引入了等效噪声温度的概念，并对级联网络的等效噪声温度给予了求解，在此基础上最后对RDSS系统地面监测接收机的等效噪声温度进行了分析和研究。

【关键词】接收机；热噪声；等效噪声温度
1.引言
由于RDSS系统采用卫星传输体制，用户入站信号在到达地面中心站前须经卫星转发，远距离传输后到达接收机的信号是很微弱的，如何使接收机的噪声尽可能低，从而使信号与噪声的功率比尽可能满足后端信号处理单元的工作要求，是系统设计的一个至关重要问题。

而从研究通信系统的角度看，接收机线性或准线性放大器、变频器以及线路的电阻损耗引起的噪声，均可以作为等效热噪声来处理，或者有的本身就是热噪声，所以文章从热噪声出发，引入等效噪声温度的概念，继而对级联网络的等效噪声温度进行求解，在此基础上对RDSS系统地面监测接收机的等效噪声温度给予分析。

2.热噪声基本概念
热噪声是由于传导媒质中带电粒子（通常是电子）随机运动而产生的。

其功率谱密度试验结果及热力学和量子力学的分析表明，阻值为R的电阻（或物体）其两端所呈现的热噪声电压，服从高斯分布，其均值为零，均方值为2R（πkT）2/3h，单位为（V2）；而热噪声的单边功率谱密度N（f）为：
N（f）=4Rhf/（ehf/kT-1）（V2/Hz）（1）
式中，T为物体的绝对温度，（K）；
k为波耳兹曼常数，1.38054×10-23 （J/K）；
h为布朗克适量，6.6254×10-34（J·S）；
f为频率（Hz）。

如图1所示，当此电阻与线性网络匹配连接即R=Rin时，热噪声源输出的是最大噪声功率。

匹配负载所得到的最大噪声单边功率谱密度，用n0表示，即：
n0=hf/（ehf/kT-1）（W/Hz）（2）
当f<<kT/h时，ehf/kT?1+hf/kT，则上式化简为：
n0=kT（W/Hz）（3）
从（3）式可以看出，此时的噪声单边功率谱密度n0与T成正比、与R无关，并且不随频率而变化，即呈现均匀谱，因而借用光谱的概念把f<<kT/h时的热噪声称之为白噪声。

由于线性网络总是有一定频带的，设Bn为线性网络的噪声等效带宽（Hz），则匹配负载得到的噪声功率N为：
N=kTBn（W）（4）
3.等效噪声温度的引入
在卫星通信中，我们遇到的大部分电路是线性的，因此我们可以用一个线性网络来描述。

无论是有源的线性网络如放大器、变频器，还是无源的线性网络如滤波器，其内部总是会不同程度地产生噪声。

这些内部噪声可能是热噪声也可能不是，而为了分析、设计线路的方便，我们希望能把它们统统等效成热噪声来处理，因而引入等效噪声温度的概念。

如图2左图所示，网络内部产生噪声。

把内部产生的噪声功率归算到网络的输入端，并用DN表示，则由（4）式，网络输出的噪声功率应为：
N=（kTiBn+DN）Gp （5）
式中kTiBn是输入端匹配电阻在环境温度为Ti条件下产生的输入热噪声功率；GP是网络最大功率增益。

我们假想有一个温度Te，如果一个输入匹配电阻在这个温度所产生白噪声功率正好等于上述附加的噪声功率DN，即：
DN=kTeBn （6）
那么，我们就称Te为等效噪声温度，也就是DN等效为由一个温度为Te的热噪声源产生的功率。

这样式（5）就可以写成：
N=kBnGp（Ti+Te）（7）
式中，Ti是物理温度，而Te则完全是一个等效的温度。

如果令：
Te’=Ti+Te （8）
则：
N=kT’BnGp （9）
即网络可看作是一个无噪声理想网络，所有噪声等效为输入匹配电阻在Te′温度时所产生的热噪声（参看图2）。

Te′为总的输入端等效噪声温度，利用它可比较两个或多个系统。

若两个系统的总等效噪声温度相同，即使外部或内部噪声情况不一样，这两个系统的灵敏度是相同的。

4.级联网络等效噪声温度的求解
考虑到地面监测接收机是一个级联网络，我们首先对级联网络总的等效噪声温度进行求解。

如图3所示，画出了3个网络级联的情况。

图中输入、输出及网络间均匹配连接，G、B、Te分别代表各网络的功率增益、噪声等效带宽、等效噪声温度，并用B1-2、B2-3分别标记第一、二两级及第二、三两级的总噪声等效带宽，B1-3则为三级的总噪声等效带宽。

这样，第一级网络的输出噪声功率为：
kB1G1（T1+Te1）
把它作为第二级网络的输入噪声功率，则第二级网络的噪声输出为：
kB1-2G1G2（T1+Te1）+kB2G2Te2
第三级的输出噪声功率为：
kB1-3G1G2G3（T1+Te1）+kB2-3G2G3Te2+kB3G3Te3 （10）
为了求级联网络总的输入端等效噪声温度Te，我们把三级网络看成一个增益为G1G2G3、噪声等效带宽为B1-3的网络，那么其输出噪声功率应为kB1-3G1G2G3（T1+Te）。

与（10）式直接比较可求得：
Te=Te1+Te2B2-3/G1B1-3+Te3B3/G1G2B1-3 （11）
5.RDSS系统监测接收机等效噪声温度分析
如图4所示，地面站接收机由低噪声放大器，下变频器，中频单元级联而成。

在这个级联网路中，低噪声放大器的带宽（约500MHz）大于下变频器的带宽（约40MHz），而下变频器的带宽又大于中频单元的带宽（约8MHz），即对于图3，满足B1≥B2≥B3。

这意味着前级输出噪声的频谱宽度大于后级网络的带宽，最后一级带宽最窄，故整个带宽决定于最后一级，可以把它看成是整个网络的带宽。

也就是对于（11）式，满足等式B1-3=B2-3=B3，故（11）式可化简为：Te=Te1+Te2/G1+Te3/G1G2 （12）
由（12）式可以看出，如果第一级网络（即低噪声放大器）的增益足够大，使得Te2/G1<<Te1，则整个网络的等效噪声温度将基本决定于第一级的等效噪声温度，即Te≈Te1，而后级（即下变频器，中放）的噪声影响就不是太大。

因此，由上面分析，我们可得出如下结论：为降低RDSS系统地面监测接收机的等效噪声温度Te，应降低接收机前端低噪声放大器的等效噪声温度，并使其有足够大的增益。

6.结束语
目前，从卫星导航系统需要出发，通过对热噪声基本概念、等效噪声温度的引入和级联网络等效噪声温度的求解，对RDSS系统监测接收机等效噪声温度进行了分析研究，决定该系统地面监测接收机前端低噪声放大器采用的是低噪声场效应晶体管放大器，其等效噪声温度约40K，增益约60分贝，它由六个管子级联而成，噪声性能好，增益高。

作为接收机的前端设备，低噪场放很好地完成了将天线接收到的微弱入站信号进行低噪声、高增益放大的任务，从而提高了整个RDSS系统的接收灵敏度。

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