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关于噪声系数定义的详细说明

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 楼主 | 2021-4-16 11:16 | 显示全部楼层 |阅读模式


关于常用的术语----噪声系数,有两个权威的定义:
第一个定义是Friis于1944年在《射频接收器的噪声系数》一文中给出,文中给出的噪声系数(noise figure)和噪声因子(noise facitor),是根据信噪比给出的,衡量的是整个信号链的输入与输出之间的信噪比退化程度。

第二个定义是IRE于1959年出版的标准,后来被IEEE采用。

这里最要命的问题是:这两个定义不是等价的,使用起来非常麻烦。

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| 2021-4-16 11:27 | 显示全部楼层
上传个安捷伦大家下载吧,其实这种标准按着测量大厂走就行了,大公司和研究所都这样的吧。
Agilent_Noise Figure Measurements.pdf (871.46 KB, 下载次数: 17)

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 楼主 | 2021-4-16 11:43 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2021-4-16 11:47 编辑

对于第二个定义,IEEE采用的是基于物理的推导方法来定义的。

事情原委是这样的:
在大学物理的量子力学部分,会谈到黑体辐射,其中必然会给出黑体辐射的功率谱密度表达式,据此可以推出著名的普朗克黑体辐射公式:

1196607904c6061e0.png




根据这个表达式可知,当光子的能量hv等于热能kT时,这个频率v=kT/h就是截止频率,而且这个截止频率的温度T的函数,当问题为17℃时,对应的截止频率是6T Hz.

为何热能是kT呢?在热动力学中学过,能量的分布按照自由度划分的,每个自由度对应于kT/2,又由于黑体辐射是一种电磁辐射,所以它有两个自由度----一个是电场,一个是磁场,所以自由度为2,所以黑体辐射的能量是kT

而电阻的噪声电压,正是基于电阻器的黑体辐射与其它电路耦合而推导出来的,推出电阻噪声的PSD为N=kT

请特别注意一个关键点:噪声正比于温度T!!!!!!!!!所以给定一个温度,就能求出其所对应的噪声谱!!!

所以,一旦知晓某个放大器的噪声普NA,根据上面的表达式,就能知道其等效的噪声温度TA


6834607907a502eb2.png





借助于等效噪声温度的概念,可以知道当放大器输入端接电阻R后,输入端总的等效噪声为:





63086079089c498f2.png




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 楼主 | 2021-4-16 11:50 | 显示全部楼层

然后定义一个标准温度To,以及端接电阻Ro,就有了比较对象,就可以据此定义噪声系数F了:


99156079090e3935f.png




而功率谱kT0对应的是著名的数字:-174dBm/Hz



这个东西是IEEE采用的标准,而Friis基于信噪比所给的定义是不同的。

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 楼主 | 2021-4-16 17:56 | 显示全部楼层


关于噪声因数的定义,有严重的bug!

1,如果基于信噪比的定义,很容易推导出来噪声系数F反比于信号源电阻Rs,也就是说,只需要在信号源上并联或者串联电阻,就能减小噪声系数(但是系统的总噪声居然是增大的),这个就是学术上著名的“噪声指数谬论”!

2,原因同上,如果测量时使用纯电抗源,那么信号源噪声为零,噪声指数趋于无穷大,毫无意义了。

3,如果待测电路和信号源的等效噪声温度悬殊不大,或者说待测电路的噪声很小,那么此时测量结果误差较大,所以常用的Y因子等方法测量结果不可靠,因为x/(Y-1)的分母当Y约等于1时,计算误差太大了。

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| 2021-4-16 18:38 | 显示全部楼层
UPUP

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 楼主 | 2021-4-16 20:05 | 显示全部楼层


学习有多难,大家来体验一下。

从上个世纪40年代到70年代,这一段里有大量书籍和文献,利用噪声系数的定义,来优化源阻抗。


5538160797cd3bc0a8.png



到了80年代,人们又提出了噪声系数谬论,说上图中这种方法不靠谱。




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