接收機射頻熱噪聲分析

郝琴

甘肅長風電子科技有限責任公司 甘肅蘭州 730070

摘要：本文首選介紹了電路噪聲理論基礎，通過建立了接收機射頻通道的簡化模型，推導了射頻通道的噪聲系數表達式，并分析了接收機射頻通道的熱噪聲特性。

關鍵詞：射頻熱噪音分析

在電子系統中，噪聲被用來描述附加在電信號上面的、任何不希望出現的擾動。在無線電通信、雷達和導航系統中，信號傳遞過程的各個環節，都會附加各種各樣的噪聲。這些噪聲對通信、雷達和導航系統的性能起著制約作用。實現低噪聲設備的前提是發展電路噪聲理論，設計低噪聲電路及器件。目前隨著集成電路一類器件的發展及應用，對復雜電路的噪聲分析計算以及設計，已經越來越具有重要性。

1接收機射頻熱噪聲概述

1.1熱噪聲含義

在實際接收機系統中，由于自然或者人為的原因，存在各種起伏不定的隨機的電壓或者電流波動，這些波動疊加在有用信號上面會對系統的信息傳遞產生影響。而這些隨機的波動往往是人們不希望出現的，因此被稱為噪聲。接收機輸出的信號上面疊加的噪聲一部分是在進入接收機前就已經具有的，稱為外部噪聲，另一部分是接收機內部產生的，稱為內部噪聲。外部噪聲是信號在傳輸介質中傳播時引入的噪聲，包括人為噪聲、大氣噪聲和空間噪聲等。內部噪聲是由接收機自身引入的，如電阻中的自由電子熱運動引起的熱噪聲，晶體管中的載流子隨機產生、復合和擴散引起的散彈噪聲等，也稱之為起伏噪聲。其中，熱噪聲是由于導體內部自由電子和振動粒子的熱相互作用而產生的。熱相互作用導致電阻兩端電子到達速度隨機變化，因此電阻兩端的電位差也隨機變化，在某個值附近上下波動。電子設備的電阻總會產生熱噪聲。

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，并且在整個頻域的功率譜密度為一恒定值，因此也被稱為白噪聲。一個阻值為R的電阻，在噪聲頻帶寬度B內，產生的電壓均方值是：

一個實際電阻可以等效為一個理想電阻和一個電壓源串聯的形式，如圖一（a）所示，其中R是無噪聲的理想電阻，用戴維南定理可以將該電路變換為一個電阻和一個電流源并聯的形式，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。對于一個二端口網絡，假設輸入端的噪聲溫度是T0=290K，網絡輸入端的信噪比與網絡輸出端信噪比的比值就是噪聲因子F，即：

噪聲因子的對數形式稱為噪聲系數，用NF表示。噪聲因子和噪聲系數只是同一個量的不同表示形式，對于選定頻率的線性系統而言，噪聲系數是兩個噪聲功率之比，即在輸出端得到的單位帶寬總噪聲功率（在相應的輸出頻率上）與在輸入頻率上由輸入終端產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準溫度290°K。

（2）等效噪聲溫度。與噪聲系數相同，等效噪聲溫度也是一個反映系統對噪聲惡化程度的指標，噪聲溫度的定義從另外一個角度來理解系統的噪聲模型。噪聲溫度的定義如下：將輸入端等效為溫度為T0=290K的電阻，二端口網絡的可獲噪聲功率為No=Na+GkT0B。假設二端口網絡不產生內部噪聲，只經過一個理想放大器，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，這時輸入端增加的溫度為Te，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的內部噪聲功率，即Na=kTeB，這就是系統自身產生并附加到輸出信號中的那部分噪聲功率。

2射頻噪聲特性分析

2.1級聯系統的噪聲特性

接收機是個多級網絡級聯的系統，每一級在系統性能中的作用是不同。一個由n個二端口網絡級聯組成的系統，組成它的第i級網絡的增益是Gi，噪聲因子是Fi，其中n=1，2，3，…，i=1，2，3，…n。該系統作為一個二端口網絡，其增益是G，噪聲系數為F。其噪聲系數的表達式為：

如果第一級網絡的放大倍數比較高，那么后面各級的噪聲系數對系統噪聲系數的影響很小，第一級的噪聲系數幾乎決定了整個系統的噪聲特性。這一結論在指導接收機的設計實踐中具有非常重要的意義，它表明提高第一級低噪聲放大器的放大倍數和降低其噪聲系數可以有效地提高系統的噪聲性能。

2.2射頻通道的噪聲系數

無線電接收機的種類很多，一般都需要進行下變頻，下變頻接收機的變頻次數不確定，下變頻所采用的本振頻率可以低于信號頻率，也可以高于信號頻率。如果本振頻率高于信號頻率，那么變頻后的信號頻帶就會發生倒置，原來的高頻端被變換到低頻端，原來的低頻端，變換到高頻端。如果變頻采用的是一路本振信號，變頻后的中頻輸出信號也只有一路。如果變頻采用的是兩個正交本振信號，變頻后的中頻輸出信號有兩路，這兩路信號比一路信號保留了更多的信息。為了便于分析，首先對系統進行簡化，將混頻器前面的部分等效為一個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整體噪聲系數的影響較小，在這里將其等效為混頻器的一部分。如圖二，整個射頻通道簡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。

圖二接收機射頻通道簡化模型

在實際應用中放大器和濾波器都可以有很多級，這里是對射頻通道作了適當的簡化，目的是更加清晰地體現各個主要環節在整機的噪聲系數中的作用。低噪聲放大器的前級應該盡量減少無源器件，否則噪聲系數會惡化。因此在該模型中，低噪聲放大器位于濾波器的前級。

2.3特殊網絡的噪聲系數

在射頻通道中，各組成部分的噪聲特性不同，根據是否有源可以分為有源網絡和無源網絡，根據端口數量可以分為二端口網絡和多端口網絡。有關熱噪聲源的關系式可推廣到任一無源二端口網絡。若該無源網絡包含若干個電阻，每個電阻都是熱噪聲源。應用戴維南等效電路，根據網絡等