噪声系数分析仪课程讲解
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资用噪声功率（Pout=KTB）
– 是单端口网络所能传输到负载上的最大功率，只与噪声发生器特 性有关而与负载无关
资用噪声功率谱密度（PO=KT）
– 定义为单位带宽内的资用噪声功率
噪声温度
– 电阻的资用热噪声功率是温度的普适函数，故一个噪声源可以使 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，用热力学单位K表示。
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7
控制噪声的方法
• 另一种抑制噪声的途径是使接收机组件中产生 的噪声最小化 – 接收机前置电路本身的噪声会进一步恶化系统 的信噪比，噪声一旦混入信号，接收机就不可 能在信号频段中将噪声从信号中区分出来。
– NF增加，会导致接收机的灵敏度下降。
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• 热噪声 • 散弹噪声
与频率相关的噪声
• 低频1/f 噪声 • 高频噪声
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15
5.2.1 热噪声
由导体材料中束缚电荷和电子的热运动引起 的，存在于所有的无源或有源器件中。
又称为Johnson噪声或Nyquist噪声。
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10
噪声电压的均值
• 噪声电压（或者电流）幅度的均值为0，即
1 vn = lim T →∞ T
∫
t1 +T
t1
vn (t ) dt = 0
vn 为噪声电压均值；
vn (t )为噪声电压的瞬时值；t 为任意时刻； 1
T为任意一个时间周期（理想情况下为无穷大）。
现代微波测量技术
8
噪声测量技术
• 噪声系数对于系统至关重要 • 本章主要内容 – 介绍微波射频集成电路中噪声的种类和特征 – 噪声系数的定义 – 噪声系数的测量技术 ★
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9
5.1 噪声的特性
自然界存在的随机过程导致了噪声的产生。 随机过程的主要类型有： 半导体器件中原子、电子和分子在绝对温度0 K 以上的热运动。 导线或器件中电荷（电子/空穴）的偏移运动。 电荷（电子/空穴）在物体表面的发射运动。 大气或其他气体中波的传播。
或者
2 n
v
2 n , rms
=v
2 n
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13
噪声电压的均方根值和噪声功率成正比。 噪声通常随机分布在零电压两侧，均值趋近于零。
图5-1、均方根值分别为0.5和1的随机噪声电压示意图
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14
5.2 噪声的种类
电路中的噪声主要包括两类 与频率无关的噪声
即
N a + kT0 BG F= kT0 BG
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34
噪声系数也可以表述为在标准温度T=290K情况 下，网络总输出噪声功率和由源噪声引起的网 络输出噪声功率之比。 噪声系数与输入信号大小无关。
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35
5.3.2 噪声源噪声的表征参数
T − T0 ENR = T0
T − T0 ENR(dB ) = 10 lg T0
ENR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。 一般固态噪声源和气体放电管的等效输出噪声温度通常 为10000-20000K，即15.2-18.3dB。
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噪声系数与调制解调无关、与调制方式无关，与调制器的性能也无关。
噪声系数与增益无关
因为放大器将同时放大噪声功率和信号功率
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32
放大器输入端的信号频谱和输出端的信号频谱
例如：进入放大器之前，信噪比为40dB，经过放大器之后，信号被放大了 20dB，噪声也被放大了20dB，但是输出信噪比只有30dB，说明了噪声系 数为10dB。 如果输入信噪比为30dB，比上面的情况小10dB，那么输出信噪比应该相 应为20dB，噪声系数为10dB。
如果差损为IL（dB）的无源二端口网络只包含电阻热 噪声，那么有
NF = IL
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40
5.3.4 级联网络的噪声系数
RS (T = To )
G1 N a1 (Te1 ) F1
N o1
G2 N a 2 (Te 2 ) F2
No2
F2 − 1 噪声系数： F = F1 + G1
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标准噪声温度T0
– 由于微波设备都在一定环境温度下工作，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=290K。
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37
超噪比ENR（Excess Noise Ratio）
– 定义为噪声源超过标准噪声温度T0热噪声的倍数
SNRin和SNRout分别为输入和输出端口的信噪比（Signal-Noise-Ratio）； Si和Ni分别为输入信号和噪声功率； So和No分别为输出信号的噪声功率。
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31
噪声系数的特点
噪声系数是大于零的数 噪声系数只适合用于的网络 这个网络至少有一个输入端口和一个输出端口。本章 讨论的噪声系数都是基于二端口网络的 噪声系数只适用于线性电路，包括准线性电路，即接收机检 波器以前的电路部分。
图5-3 负载噪声功率计算示意图
b)
当负载电阻RL等于信号源内阻R时，负载电阻可以获得噪声最大功率， 输出噪声电压v0等于输入噪声电压的一半vn/2，相应的最大输出功率谱密 度P0为：
2 2 v0 vn P0 = = = kT R 4R
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20
输出功率谱密度与电阻无关。kT表示功率密度， 其单位是W/Hz。输出功率可表示为：
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4
• 微波射频集成电路、器件和系统中的噪声包括 – 自外部的非本征噪声 – 自身产生的本征噪声。
– 对电路系统性能造成很大的影响，噪声性能直 接决定系统的最小可检测信号功率 – 为了得到电路和系统的最佳性能，需要降低外 部噪声和使内部本征噪声最佳化。
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等效噪声温度： Te = Te1 +
• 噪声因子（没有单位） Noise Factor, 简称F • 噪声系数（dB）
NF = 10 lg F
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30
5.3.1 噪声系数的定义
• 定义 – 网络的输入信噪比与输出信噪比的比值
SNRin Si / N i F= = SNRout So / N o
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1
第五章 噪声系数分析仪
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2
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3
• 表征接收机系统处理弱信号能量的参数 – 灵敏度、误码率与噪声系数（Noise Figure）
– 噪声系数
• 表征整个系统的噪声性能 • 表征组成系统的诸如放大器、混频器等系统部件的 噪声性能。 • 通过控制系统组件的噪声系数与增益，设计者可以 直接控制整个系统的噪声系数，并且通过噪声系数 和系统带宽可以很容易地估计出系统的灵敏度。
Pout / dBm
图5-4 噪声功率随带宽变化曲线
Pout / dBm
图5-5 噪声功率随温度变化曲线 成都信息工程学院电子工程学院
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22
5.2.2 散弹噪声
散弹噪声又称Schottky噪声
– 由固态器件中穿越半导体结或者其他不连续界面的离 散的随机电荷载流子运动引起的。
– 散弹噪声通常发生在半导体器件中，总是伴随着稳态 电流，实际上稳态电流包含着一个很大的随机起伏， 这个起伏就是散弹噪声。
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25
闪烁噪声几乎在所有有源器件中均可以发现， 一些无源器件中也可以看到，如碳电阻器等。 闪烁噪声与频率有关，频率越低，闪烁噪声对信 号失真的影响越大。 通常闪烁噪声在DC至500kHz~10MHz的频率范围 内以－10dB每倍频程的速度衰减。
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带宽＝1Hz
带宽＝1Hz 闪烁噪 声电流
Kf
闪烁噪 声电流
电流
频率
闪烁噪声随频率变化曲线
闪烁噪声随电流变化曲线
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27
5.3 二端口网络的噪声系数
• 接收机系统输出信噪比取决于 – 输入信噪比 – 噪声系数 • 输入信噪比 – 取决于发射功率、发射机天线增益、大气传输 系数、大气温度 • 噪声系数 – 接收机天线增益、接收机内部噪声
Pout = kTB
噪声功率与电路工作的中心频率无关，而与工 作带宽有关。
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21
随着带宽B的减小，噪声功率成比例减小，也就是说窄带电路的噪声 要比宽带电路小。 随着温度T的降低，噪声功率也成比例减小，即低温下的噪声要低于 较高温度下的电路或器件噪声。 若噪声带宽趋于无穷大，则噪声功率也将趋于无穷大，这种情况下是 不合理的。因此，噪声功率计算式只适用于在1000GHz频率以下。
38
等效输入噪声温度
将网络的噪声功率用电阻在不同温度下的热噪声 功率来表征。 对于一个可用功率为Na的白噪声，可以用一个等 效噪声温度为Te的电阻来表示，等效噪声温度Te 可以由下式计算得到：
Na Te = kB
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39
5.3.3 无源二端口网络的噪声系数
插损IL 无源二端口网络
2 vn = 4kTRB
v
2 表示带宽B内噪声电压的均方值 n
噪声电流表达式为：
4kTB i = R
2 n
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18
2 vn
a)
2 in
b)
图5-2、电阻的噪声等效电路模型
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19
v
2 o
2 vo 2 in
2 vn
L
a)
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11
噪声电压的均方
• 噪声电压的均方值为常数，即
1 v = lim T →∞ T
2 n
∫ [v (t )]
t1 n
t1 +T
2
dt = 常数
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12
噪声电压的均方根
描述噪声电压偏离噪声电压均值的程度
vn ,rms = v
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23
5.2.3 高频噪声
高频噪声是指和频率相关而不是与电流相关的噪 声，通常与电容伴随出现，如场效应晶体管中的 栅极感应噪声等。
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24
5.2.4 闪烁噪声
闪烁噪声又称为低频噪声（或者1/f 噪声），是半导体器 件低频情况下的重要噪声之一，对微波射频振荡器和混频 器有重要的影响。 闪烁噪声由以下两方面引起的电流的微小变化所产生： 1）载流子在半导体器件材料界面上的无规律入射及复合 过程； 2）电荷在阴极发射时的随机变化。
16
电阻是电路中最主要的热噪声源，电阻热噪声是电子随 机热运动引起的，电阻热噪声的谱密度可以表示为：
N R = 4kTR
T是电阻的绝对温度； k是玻尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）； R是电阻阻值； 噪声功率谱密度单位为V2/Hz。
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有限带宽B内电阻产生的热功率为：
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28
改善输出信噪比
• 增加发射机输出功率 – 成本高昂 • 增加发射机天线增益 – 加大天线体积，很多场合不适用 • 降低接收机的噪声系数 – 成本较低 – 很多时候我们宁愿在噪声系数上面下功夫！！！
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29
二端口网络的噪声特性
现代微波测量技术
5
信号功率
低噪声接收机
噪声功率
高噪声接收机
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6
控制噪声的方法
• 一种是将弱信号放大 – 增强在发射机、接收机方向的信号功率； – 提供接收机天线的增益来实现；
– 提高发射机功率会受到诸多因素的限制； – 提高接收机天线的增益通常意味着需要一个体 积更大的天线。
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Ni
No
输出噪声功率可以表示为： 式中，
N o = N a + GN i
N i = kTo B
通常将290K作为计算噪声系数的标准温度T0。
F= Si / N i Si / N i N + GNi = = a So / N o GSi / ( N a + GNi ) GNi
– 是单端口网络所能传输到负载上的最大功率，只与噪声发生器特 性有关而与负载无关
资用噪声功率谱密度（PO=KT）
– 定义为单位带宽内的资用噪声功率
噪声温度
– 电阻的资用热噪声功率是温度的普适函数，故一个噪声源可以使 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，用热力学单位K表示。
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控制噪声的方法
• 另一种抑制噪声的途径是使接收机组件中产生 的噪声最小化 – 接收机前置电路本身的噪声会进一步恶化系统 的信噪比，噪声一旦混入信号，接收机就不可 能在信号频段中将噪声从信号中区分出来。
– NF增加，会导致接收机的灵敏度下降。
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• 热噪声 • 散弹噪声
与频率相关的噪声
• 低频1/f 噪声 • 高频噪声
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5.2.1 热噪声
由导体材料中束缚电荷和电子的热运动引起 的，存在于所有的无源或有源器件中。
又称为Johnson噪声或Nyquist噪声。
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噪声电压的均值
• 噪声电压（或者电流）幅度的均值为0，即
1 vn = lim T →∞ T
∫
t1 +T
t1
vn (t ) dt = 0
vn 为噪声电压均值；
vn (t )为噪声电压的瞬时值；t 为任意时刻； 1
T为任意一个时间周期（理想情况下为无穷大）。
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• 噪声系数对于系统至关重要 • 本章主要内容 – 介绍微波射频集成电路中噪声的种类和特征 – 噪声系数的定义 – 噪声系数的测量技术 ★
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5.1 噪声的特性
自然界存在的随机过程导致了噪声的产生。 随机过程的主要类型有： 半导体器件中原子、电子和分子在绝对温度0 K 以上的热运动。 导线或器件中电荷（电子/空穴）的偏移运动。 电荷（电子/空穴）在物体表面的发射运动。 大气或其他气体中波的传播。
或者
2 n
v
2 n , rms
=v
2 n
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噪声电压的均方根值和噪声功率成正比。 噪声通常随机分布在零电压两侧，均值趋近于零。
图5-1、均方根值分别为0.5和1的随机噪声电压示意图
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5.2 噪声的种类
电路中的噪声主要包括两类 与频率无关的噪声
即
N a + kT0 BG F= kT0 BG
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噪声系数也可以表述为在标准温度T=290K情况 下，网络总输出噪声功率和由源噪声引起的网 络输出噪声功率之比。 噪声系数与输入信号大小无关。
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5.3.2 噪声源噪声的表征参数
T − T0 ENR = T0
T − T0 ENR(dB ) = 10 lg T0
ENR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。 一般固态噪声源和气体放电管的等效输出噪声温度通常 为10000-20000K，即15.2-18.3dB。
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噪声系数与调制解调无关、与调制方式无关，与调制器的性能也无关。
噪声系数与增益无关
因为放大器将同时放大噪声功率和信号功率
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放大器输入端的信号频谱和输出端的信号频谱
例如：进入放大器之前，信噪比为40dB，经过放大器之后，信号被放大了 20dB，噪声也被放大了20dB，但是输出信噪比只有30dB，说明了噪声系 数为10dB。 如果输入信噪比为30dB，比上面的情况小10dB，那么输出信噪比应该相 应为20dB，噪声系数为10dB。
如果差损为IL（dB）的无源二端口网络只包含电阻热 噪声，那么有
NF = IL
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5.3.4 级联网络的噪声系数
RS (T = To )
G1 N a1 (Te1 ) F1
N o1
G2 N a 2 (Te 2 ) F2
No2
F2 − 1 噪声系数： F = F1 + G1
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标准噪声温度T0
– 由于微波设备都在一定环境温度下工作，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=290K。
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超噪比ENR（Excess Noise Ratio）
– 定义为噪声源超过标准噪声温度T0热噪声的倍数
SNRin和SNRout分别为输入和输出端口的信噪比（Signal-Noise-Ratio）； Si和Ni分别为输入信号和噪声功率； So和No分别为输出信号的噪声功率。
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噪声系数的特点
噪声系数是大于零的数 噪声系数只适合用于的网络 这个网络至少有一个输入端口和一个输出端口。本章 讨论的噪声系数都是基于二端口网络的 噪声系数只适用于线性电路，包括准线性电路，即接收机检 波器以前的电路部分。
图5-3 负载噪声功率计算示意图
b)
当负载电阻RL等于信号源内阻R时，负载电阻可以获得噪声最大功率， 输出噪声电压v0等于输入噪声电压的一半vn/2，相应的最大输出功率谱密 度P0为：
2 2 v0 vn P0 = = = kT R 4R
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输出功率谱密度与电阻无关。kT表示功率密度， 其单位是W/Hz。输出功率可表示为：
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• 微波射频集成电路、器件和系统中的噪声包括 – 自外部的非本征噪声 – 自身产生的本征噪声。
– 对电路系统性能造成很大的影响，噪声性能直 接决定系统的最小可检测信号功率 – 为了得到电路和系统的最佳性能，需要降低外 部噪声和使内部本征噪声最佳化。
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等效噪声温度： Te = Te1 +
• 噪声因子（没有单位） Noise Factor, 简称F • 噪声系数（dB）
NF = 10 lg F
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5.3.1 噪声系数的定义
• 定义 – 网络的输入信噪比与输出信噪比的比值
SNRin Si / N i F= = SNRout So / N o
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3
• 表征接收机系统处理弱信号能量的参数 – 灵敏度、误码率与噪声系数（Noise Figure）
– 噪声系数
• 表征整个系统的噪声性能 • 表征组成系统的诸如放大器、混频器等系统部件的 噪声性能。 • 通过控制系统组件的噪声系数与增益，设计者可以 直接控制整个系统的噪声系数，并且通过噪声系数 和系统带宽可以很容易地估计出系统的灵敏度。
Pout / dBm
图5-4 噪声功率随带宽变化曲线
Pout / dBm
图5-5 噪声功率随温度变化曲线 成都信息工程学院电子工程学院
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5.2.2 散弹噪声
散弹噪声又称Schottky噪声
– 由固态器件中穿越半导体结或者其他不连续界面的离 散的随机电荷载流子运动引起的。
– 散弹噪声通常发生在半导体器件中，总是伴随着稳态 电流，实际上稳态电流包含着一个很大的随机起伏， 这个起伏就是散弹噪声。
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闪烁噪声几乎在所有有源器件中均可以发现， 一些无源器件中也可以看到，如碳电阻器等。 闪烁噪声与频率有关，频率越低，闪烁噪声对信 号失真的影响越大。 通常闪烁噪声在DC至500kHz~10MHz的频率范围 内以－10dB每倍频程的速度衰减。
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带宽＝1Hz
带宽＝1Hz 闪烁噪 声电流
Kf
闪烁噪 声电流
电流
频率
闪烁噪声随频率变化曲线
闪烁噪声随电流变化曲线
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5.3 二端口网络的噪声系数
• 接收机系统输出信噪比取决于 – 输入信噪比 – 噪声系数 • 输入信噪比 – 取决于发射功率、发射机天线增益、大气传输 系数、大气温度 • 噪声系数 – 接收机天线增益、接收机内部噪声
Pout = kTB
噪声功率与电路工作的中心频率无关，而与工 作带宽有关。
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随着带宽B的减小，噪声功率成比例减小，也就是说窄带电路的噪声 要比宽带电路小。 随着温度T的降低，噪声功率也成比例减小，即低温下的噪声要低于 较高温度下的电路或器件噪声。 若噪声带宽趋于无穷大，则噪声功率也将趋于无穷大，这种情况下是 不合理的。因此，噪声功率计算式只适用于在1000GHz频率以下。
38
等效输入噪声温度
将网络的噪声功率用电阻在不同温度下的热噪声 功率来表征。 对于一个可用功率为Na的白噪声，可以用一个等 效噪声温度为Te的电阻来表示，等效噪声温度Te 可以由下式计算得到：
Na Te = kB
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5.3.3 无源二端口网络的噪声系数
插损IL 无源二端口网络
2 vn = 4kTRB
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2 表示带宽B内噪声电压的均方值 n
噪声电流表达式为：
4kTB i = R
2 n
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2 vn
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图5-2、电阻的噪声等效电路模型
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v
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2 vo 2 in
2 vn
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噪声电压的均方
• 噪声电压的均方值为常数，即
1 v = lim T →∞ T
2 n
∫ [v (t )]
t1 n
t1 +T
2
dt = 常数
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噪声电压的均方根
描述噪声电压偏离噪声电压均值的程度
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5.2.3 高频噪声
高频噪声是指和频率相关而不是与电流相关的噪 声，通常与电容伴随出现，如场效应晶体管中的 栅极感应噪声等。
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5.2.4 闪烁噪声
闪烁噪声又称为低频噪声（或者1/f 噪声），是半导体器 件低频情况下的重要噪声之一，对微波射频振荡器和混频 器有重要的影响。 闪烁噪声由以下两方面引起的电流的微小变化所产生： 1）载流子在半导体器件材料界面上的无规律入射及复合 过程； 2）电荷在阴极发射时的随机变化。
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电阻是电路中最主要的热噪声源，电阻热噪声是电子随 机热运动引起的，电阻热噪声的谱密度可以表示为：
N R = 4kTR
T是电阻的绝对温度； k是玻尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）； R是电阻阻值； 噪声功率谱密度单位为V2/Hz。
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有限带宽B内电阻产生的热功率为：
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改善输出信噪比
• 增加发射机输出功率 – 成本高昂 • 增加发射机天线增益 – 加大天线体积，很多场合不适用 • 降低接收机的噪声系数 – 成本较低 – 很多时候我们宁愿在噪声系数上面下功夫！！！
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二端口网络的噪声特性
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信号功率
低噪声接收机
噪声功率
高噪声接收机
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控制噪声的方法
• 一种是将弱信号放大 – 增强在发射机、接收机方向的信号功率； – 提供接收机天线的增益来实现；
– 提高发射机功率会受到诸多因素的限制； – 提高接收机天线的增益通常意味着需要一个体 积更大的天线。
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Ni
No
输出噪声功率可以表示为： 式中，
N o = N a + GN i
N i = kTo B
通常将290K作为计算噪声系数的标准温度T0。
F= Si / N i Si / N i N + GNi = = a So / N o GSi / ( N a + GNi ) GNi