接收機(jī)射頻熱噪聲分析

郝琴

甘肅長(zhǎng)風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司 甘肅蘭州 730070

摘要：本文首選介紹了電路噪聲理論基礎(chǔ)，通過(guò)建立了接收機(jī)射頻通道的簡(jiǎn)化模型，推導(dǎo)了射頻通道的噪聲系數(shù)表達(dá)式，并分析了接收機(jī)射頻通道的熱噪聲特性。

關(guān)鍵詞：射頻熱噪音分析

在電子系統(tǒng)中，噪聲被用來(lái)描述附加在電信號(hào)上面的、任何不希望出現(xiàn)的擾動(dòng)。在無(wú)線(xiàn)電通信、雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)中，信號(hào)傳遞過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，都會(huì)附加各種各樣的噪聲。這些噪聲對(duì)通信、雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)的性能起著制約作用。實(shí)現(xiàn)低噪聲設(shè)備的前提是發(fā)展電路噪聲理論，設(shè)計(jì)低噪聲電路及器件。目前隨著集成電路一類(lèi)器件的發(fā)展及應(yīng)用，對(duì)復(fù)雜電路的噪聲分析計(jì)算以及設(shè)計(jì)，已經(jīng)越來(lái)越具有重要性。

1接收機(jī)射頻熱噪聲概述

1.1熱噪聲含義

在實(shí)際接收機(jī)系統(tǒng)中，由于自然或者人為的原因，存在各種起伏不定的隨機(jī)的電壓或者電流波動(dòng)，這些波動(dòng)疊加在有用信號(hào)上面會(huì)對(duì)系統(tǒng)的信息傳遞產(chǎn)生影響。而這些隨機(jī)的波動(dòng)往往是人們不希望出現(xiàn)的，因此被稱(chēng)為噪聲。接收機(jī)輸出的信號(hào)上面疊加的噪聲一部分是在進(jìn)入接收機(jī)前就已經(jīng)具有的，稱(chēng)為外部噪聲，另一部分是接收機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的，稱(chēng)為內(nèi)部噪聲。外部噪聲是信號(hào)在傳輸介質(zhì)中傳播時(shí)引入的噪聲，包括人為噪聲、大氣噪聲和空間噪聲等。內(nèi)部噪聲是由接收機(jī)自身引入的，如電阻中的自由電子熱運(yùn)動(dòng)引起的熱噪聲，晶體管中的載流子隨機(jī)產(chǎn)生、復(fù)合和擴(kuò)散引起的散彈噪聲等，也稱(chēng)之為起伏噪聲。其中，熱噪聲是由于導(dǎo)體內(nèi)部自由電子和振動(dòng)粒子的熱相互作用而產(chǎn)生的。熱相互作用導(dǎo)致電阻兩端電子到達(dá)速度隨機(jī)變化，因此電阻兩端的電位差也隨機(jī)變化，在某個(gè)值附近上下波動(dòng)。電子設(shè)備的電阻總會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。

1.2熱噪聲特征

1928年J.B.Johnson首先研究了熱噪聲，所以熱噪聲也被稱(chēng)為約翰遜噪聲。由于熱噪聲的頻率可以覆蓋全部頻段，并且在整個(gè)頻域的功率譜密度為一恒定值，因此也被稱(chēng)為白噪聲。一個(gè)阻值為R的電阻，在噪聲頻帶寬度B內(nèi)，產(chǎn)生的電壓均方值是：

一個(gè)實(shí)際電阻可以等效為一個(gè)理想電阻和一個(gè)電壓源串聯(lián)的形式，如圖一（a）所示，其中R是無(wú)噪聲的理想電阻，用戴維南定理可以將該電路變換為一個(gè)電阻和一個(gè)電流源并聯(lián)的形式，如圖一（b）所示。

圖一電阻熱噪聲模型

電流源的電流均方值為：

1.3熱噪聲的表示

（1）噪聲系數(shù)。對(duì)于一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)輸入端的噪聲溫度是T0=290K，網(wǎng)絡(luò)輸入端的信噪比與網(wǎng)絡(luò)輸出端信噪比的比值就是噪聲因子F，即：

噪聲因子的對(duì)數(shù)形式稱(chēng)為噪聲系數(shù)，用NF表示。噪聲因子和噪聲系數(shù)只是同一個(gè)量的不同表示形式，對(duì)于選定頻率的線(xiàn)性系統(tǒng)而言，噪聲系數(shù)是兩個(gè)噪聲功率之比，即在輸出端得到的單位帶寬總噪聲功率（在相應(yīng)的輸出頻率上）與在輸入頻率上由輸入終端產(chǎn)生的那部分噪聲功率之比。輸入終端的噪聲溫度在任何頻率上都是標(biāo)準(zhǔn)溫度290°K。

（2）等效噪聲溫度。與噪聲系數(shù)相同，等效噪聲溫度也是一個(gè)反映系統(tǒng)對(duì)噪聲惡化程度的指標(biāo)，噪聲溫度的定義從另外一個(gè)角度來(lái)理解系統(tǒng)的噪聲模型。噪聲溫度的定義如下：將輸入端等效為溫度為T(mén)0=290K的電阻，二端口網(wǎng)絡(luò)的可獲噪聲功率為No=Na+GkT0B。假設(shè)二端口網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生內(nèi)部噪聲，只經(jīng)過(guò)一個(gè)理想放大器，輸出的可獲噪聲功率為GkT0B。然后，增大輸入端電阻的溫度，使得輸出端的可獲噪聲功率等于No，這時(shí)輸入端增加的溫度為T(mén)e，Te就是等效噪聲溫度。由等效噪聲溫度可以很容易表示系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲功率，即Na=kTeB，這就是系統(tǒng)自身產(chǎn)生并附加到輸出信號(hào)中的那部分噪聲功率。

2射頻噪聲特性分析

2.1級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲特性

接收機(jī)是個(gè)多級(jí)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的系統(tǒng)，每一級(jí)在系統(tǒng)性能中的作用是不同。一個(gè)由n個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)組成的系統(tǒng)，組成它的第i級(jí)網(wǎng)絡(luò)的增益是Gi，噪聲因子是Fi，其中n=1，2，3，…，i=1，2，3，…n。該系統(tǒng)作為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，其增益是G，噪聲系數(shù)為F。其噪聲系數(shù)的表達(dá)式為：

如果第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的放大倍數(shù)比較高，那么后面各級(jí)的噪聲系數(shù)對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響很小，第一級(jí)的噪聲系數(shù)幾乎決定了整個(gè)系統(tǒng)的噪聲特性。這一結(jié)論在指導(dǎo)接收機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)踐中具有非常重要的意義，它表明提高第一級(jí)低噪聲放大器的放大倍數(shù)和降低其噪聲系數(shù)可以有效地提高系統(tǒng)的噪聲性能。

2.2射頻通道的噪聲系數(shù)

無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)的種類(lèi)很多，一般都需要進(jìn)行下變頻，下變頻接收機(jī)的變頻次數(shù)不確定，下變頻所采用的本振頻率可以低于信號(hào)頻率，也可以高于信號(hào)頻率。如果本振頻率高于信號(hào)頻率，那么變頻后的信號(hào)頻帶就會(huì)發(fā)生倒置，原來(lái)的高頻端被變換到低頻端，原來(lái)的低頻端，變換到高頻端。如果變頻采用的是一路本振信號(hào)，變頻后的中頻輸出信號(hào)也只有一路。如果變頻采用的是兩個(gè)正交本振信號(hào)，變頻后的中頻輸出信號(hào)有兩路，這兩路信號(hào)比一路信號(hào)保留了更多的信息。為了便于分析，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將混頻器前面的部分等效為一個(gè)低噪聲放大器和鏡頻抑制濾波器，混頻器后面的中頻濾波器和中頻放大器一般對(duì)整體噪聲系數(shù)的影響較小，在這里將其等效為混頻器的一部分。如圖二，整個(gè)射頻通道簡(jiǎn)化為由低噪聲放大器（LNA）、鏡頻抑制濾波器（IRF）和混頻器三部分組成。

圖二接收機(jī)射頻通道簡(jiǎn)化模型

在實(shí)際應(yīng)用中放大器和濾波器都可以有很多級(jí)，這里是對(duì)射頻通道作了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，目的是更加清晰地體現(xiàn)各個(gè)主要環(huán)節(jié)在整機(jī)的噪聲系數(shù)中的作用。低噪聲放大器的前級(jí)應(yīng)該盡量減少無(wú)源器件，否則噪聲系數(shù)會(huì)惡化。因此在該模型中，低噪聲放大器位于濾波器的前級(jí)。

2.3特殊網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)

在射頻通道中，各組成部分的噪聲特性不同，根據(jù)是否有源可以分為有源網(wǎng)絡(luò)和無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)端口數(shù)量可以分為二端口網(wǎng)絡(luò)和多端口網(wǎng)絡(luò)。有關(guān)熱噪聲源的關(guān)系式可推廣到任一無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò)。若該無(wú)源網(wǎng)絡(luò)包含若干個(gè)電阻，每個(gè)電阻都是熱噪聲源。應(yīng)用戴維南等效電路，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)等