第2章 噪声系数和噪声温度

通常需要描述一个电路或系统内部噪声的大小，因此需要引入相应的物理量（噪声系数或噪声指数）来描述。

一．噪声系数的定义图 2-35 为一线性四端网络, 它的噪声系数定义为输入端的信号噪声功率比(S/N)i 与输出端的信号噪声功率比(S/N)o 的比值, 即 图 2-35 噪声系数的定义第四节 噪声系数和噪声温度线性电路K P N F S iN i S o N o信号功率噪声功率图中, K P 为电路的功率传输系数(或功率放大倍数)，K P =Ｓo /S i。

用N a 表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出, 考虑到K P =Ｓo /S i , 上式可以表示为：o o i i o i F N S N S N S N S N ==)()(1i p a a p p F i i N K N N K K N N N +==+o p o F i p iN K N N N K N ==噪声系数通常用dB 表示, 用dB 表示的噪声系数为o i F F NS N S Lg LgN dB N )()(1010)(==关于噪声系数，有以下几点需要说明：(1) 由于噪声功率是与带宽B相联系的，为了不使噪声系数依赖于 (1)指定的频宽，因此国际上式(2-6(2-611)定义中的噪声功率是指单位频带内的噪声功率，即是指输出、输入噪声功率谱密度。

此时的噪声系数将随指定的工作频率不同而不同，即表示点频的噪声系数。

(2) 由式(2-60)可以看出，输入、输出信号功率是成比例变化的， (2)即噪声系数与输入信号大小无关，但却与输入噪声功率Ni有关，因此，为了明确，在噪声系数的定义中，规定输入噪声功率Ni为信号源内阻Rs的热噪声最大输出功率（由前可知为kTB），并规定温度为290K。

(3) 在噪声系数的定义中，没有对网络的匹配情况提出要求，因而是普遍适用的。

实际上输出端的阻抗是否匹配并不影响噪声系数的大小。

因此噪声系数可以表示为输出端开路时两均方电压之比或输出端短路时两均方电流之比，即2222nionoF nio no F I I N UU N ==(4) 上述噪声系数的定义只适用于线性或准线性电路。

对于非线性电路，由于信号与噪声、噪声与噪声的相互作用，使输出端信噪比更加恶化，上述的定义不适用，计算也更复杂。

二、噪声系数的计算1．额定功率法额定功率, 又称资用功率或可用功率, 是指信号源所能输出的最大功率, 它是一个度量信号源容量大小的参数, 是信号源的一个属性, 它只取决于信号源本身的参数——内阻和电动势, 与输入电阻和负载无关, 如图2-32-333所示。

图2-32-333信号源的额定功率(a) 电压源; （b）电流源额定功率增益K Pm 是指四端网络的输出额定功率P smo 和输入额定功率P smi 之比, 即smismo Pm P P K =S S sm S S sm R I P R U P 22414==上图(a)和(b)的额定输出功率分别为：显然额定功率增益K Pm 不一定是网络的实际功率增益，只有在输出和输入都匹配时，这两个功率才相等。

其中U s 和I s 分别是电压源的电压有效值和电流源的电流有效值根据噪声系数的定义, 分子和分母都是同一端点上的功率比, 因此将实际功率改为额定功率, 并不改变噪声系数的定义, 则mi pm mo mosmo mi smi F N K N N P N P N ==因为N mi = kTB , N mo = K p m N mi + N m n, , 所以1mo mn F pm pm N N N K kTB K kTB==+ P smi 和P smo 分别为输入和输出的信号额定功率; N mi 和N mo 分别为输入和输出的噪声额定功率; N mn 为网络内部的最大输出噪声功率。

也可以等效到输入端, 有kTBN N moi F = 式中：N moi =N mo /K Pm 是网络额定输出噪声功率等效到输入端的数值。

对于无源四端网络（如图2-32-344),由于在输出匹配时，输出的额定噪声功率为kTB ，因此上式变为：smosmi pm F P P L K N ===1其中L 为网络的衰减倍数。

图 2-34 无源四端网络的噪声系数现以左图的抽头电路为例，计算噪声系数。

SS sm S S mo G I P G p G I p P 4)(42222=+= 输入端信号源的最大输出功率为 因此, 网络的噪声系数为：S S S mo sm pm F G p G G p G p G P P K N 22211+=+===解：将信号源电导等效到回路两端, 为p 2G S , 等效到回路两端的信号源电流为pI S , 输出端匹配时的最大输出功率为pI S G S L C G第一级N F1K Pm1kTB N 1第二级N F2K Pm2N okTBK N N pm o F =根据定义, 级联后总的噪声系数为：图 2-36 级联网络噪声系数式中, No 为总输出额定噪声功率, 它由三部分组成： 经两级放大的输入信号源内阻的热噪声; 经第二级放大的第一级网络内部的附加噪声; 第二级网络内部的附加噪声, 即2、级联四端网络的噪声系数212o pm pm a a N K kTB K N N =++按噪声系数的定义表达式(2-62)， N a1和N a2可分别表示为kTBK N N kTB K N N pm F a pm F a 222111)1()1(−=−= 则 kTBK N N K kTB N K kTB N K K kTB K N pm F F pm F pm F pm pm pm o ])1([)1()1(22122121−+=−+−+=将上式代入式（2-73）, 得1211Pm F F F K N N N −+=i P aF N N N N +=1212o pm pm a a N K kTB K N N =++kTBK N N pm o F =用同样的方法不难推出多级级联网络的噪声系数的公式为⋅⋅⋅+−+−+=21212111Pm Pm F Pm F F F K K N K N N N 从上式可以看出, 当网络的额定功率增益远大于1时, 系统的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数。

越是后面的网络, 对噪声系数的影响就越小, 这是因为越到后级信号的功率越大, 后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了。

因此, 对第一级来说, 不但希望噪声系数小, 也希望增益大, 以便减小后级噪声的影响。

例3图2-40 是一接收机的前端电路, 高频放大器和场效应管混频器的噪声系数和功率增益如图所示。

试求前端电路的噪声系数(设本振产生的噪声忽略不计)。

高频放大器N F1=3 dBK P1(dB)=10 dBFET混频器NF2=6.5 dBKP2(dB)=9 dB本地振荡器至中放图 2-40接收机前端电路的噪声系数解 将图中的噪声系数和增益化为倍数, 有47.41094.710210101065.029.023.0111========F P F P K K K K 因此, 根据式(2-74)有前端电路的噪声系数为)7.3(35.235.021121dB K N N N P F F F =+=−+=33．噪声系数与灵敏度噪声系数是用来衡量部件(如放大器)和系统(如接收机)噪声性能的。

根据噪声系数的定义，噪声性能的好坏又决定输出信号噪声功率比，同时当要求输出一定性噪比时，它又决定输入端必须的信号功率，也就是说决定输入端放大（接受）微弱信号的能力。

灵敏度就是保持接收机输出端信噪比一定时, 接收机输入的最小信号电压或功率(设接收机有足够的增益)。

如果要求接收机前端的输出信噪比为(S/N)O,,根据噪声系数定义，则输入信噪比为oF i N S N N S ⎟⎠⎞⎜⎝⎛=⎟⎠⎞⎜⎝⎛kTB N S N S oF i ⎟⎠⎞⎜⎝⎛=min 考虑到输入噪声功率为Ｎｉ＝ＫＴＢ，因此输入信号的功率为（接收机的灵敏度）为　也可以用输入信号电压的幅值来表示接收机的灵敏度，设信号源的内阻为Ｒｓ，则用电动势表示接收机的灵敏度为kTB N S N R S R U OF s i s s ⎟⎠⎞⎜⎝⎛==44例：设某电视接收机，正常接收时所需最小信号噪声功率比为20dB ，电视机的带宽为6MHz ，接受机前端电路的噪声系数为10dB ，求接收机前端电路输入信号电平（灵敏度）至少为多少？解：噪声系数N F =10dB=10，输出性噪比(S/N)o=20dB=100则 输入性噪比(S/(S/N)N)i =N F ×(S/N)o=1000 根据噪声系数的定义，输入噪声功率为kTB故，输入信号功率为：S i =1000kTB=23.8pW设信号源内阻为75欧姆，则所需最小信号电势为：1244*75*23.8*1084.5s s i U R S Vµ−===噪声信号源待测放大器辅助放大器均方电压表图 2-41 用噪声信号源测量噪声系数噪声系数为o S F I R kTq kTB N N 2=′= 2．无噪声源的测量方法三、三、噪声系数的测量 11． 采用噪声信号源的测量方法 图 2-41 是测量系统的构成。

四．噪声温度将线性电路的内部附加噪声折算到输入端, 此附加噪声可以用提高信号源内阻上的温度来等效, 这就是"噪声温度"。

由式(2-62), 等效到输入端的附加噪声为N a /K P , 令增加的温度为T e , 即噪声温度, 可得B kT K N e pa = 这样, 式(2-62)可重写为T N T TT B kT B kT N B kT N F e e e i e F )1(111−=+=+=+=。