這種內(nèi)部產(chǎn)生的不可避免噪聲有許多來(lái)源，包括熵、器件和材料的物理現(xiàn)象、電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)以及各種缺陷，這些來(lái)源可以證明噪聲產(chǎn)生的一些原因。

 

噪聲因子和噪聲系數(shù)

 

噪聲因子(F) 的量化定義很簡(jiǎn)單：它是輸入信噪比 (SNR) 與輸出SNR 的比值：

 

噪聲因子(F) = (輸入信號(hào)/輸入噪聲)/(輸出信號(hào)/輸出噪聲)

 

即使是諸如電阻器等無(wú)源非增益器件，也具有噪聲因子，其定義為通過實(shí)際電阻產(chǎn)生的噪聲與理想電阻的簡(jiǎn)單熱噪聲的比值。為實(shí)現(xiàn)比較標(biāo)準(zhǔn)化，噪聲因子在290K的標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行測(cè)量，選擇這一溫度值主要是依據(jù)哈拉爾·弗里斯 (Harald Friis) 于20世紀(jì)30年代在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室開展的開創(chuàng)性研究結(jié)果。比較所用的標(biāo)準(zhǔn)噪聲源具有KT噪聲級(jí)，其中K是指玻爾茲曼常數(shù) (1.38 × 10-23J/K)。

 

那么，如何得到噪聲系數(shù)(NF) 呢？

 

其實(shí)關(guān)系很簡(jiǎn)單：NF(單位：dB) = 10 × log (F)。

 

為什么既有噪聲因子(F)，又有噪聲系數(shù)(NF)呢？這取決于所進(jìn)行的信號(hào)路徑分析類型。對(duì)于某些類型的分析，F(xiàn)更有用，而對(duì)于另一些分析，NF可以簡(jiǎn)化公式。

 

不過，隨后還會(huì)介紹一個(gè)“噪聲”參數(shù)：噪聲溫度。噪聲怎么會(huì)有溫度呢？為什么要將噪聲與溫度聯(lián)系起來(lái)呢？

 

不一樣的“噪聲溫度”

 

原因如下：噪聲溫度是表征噪聲幅度和相關(guān)信噪比變化的另一種方法。噪聲溫度用于射頻鏈路，特別是那些與射電天文學(xué)相關(guān)的鏈路、面向太空的鏈路以及其他非地面系統(tǒng)。

 

首先從噪聲溫度(NT) 的定義入手：

 

NT=290 × (F-1) [“290”是指上文提到的標(biāo)準(zhǔn)參考溫度]

 

介紹到這里，噪聲溫度似乎只是量化噪聲的另一種方式，但其實(shí)它還有更多作用。噪聲溫度是一個(gè)理論上的“抽象”指標(biāo)，其給出的等效溫度可以產(chǎn)生所見的同等大小的噪聲功率。請(qǐng)記住，這種等效噪聲溫度（通常用TEQ表示），并不代表您用溫度計(jì)測(cè)量放大器所得出的實(shí)際溫度。

 

那么，為什么還要使用噪聲溫度和TEQ呢？同樣，對(duì)于某些類型的分析，噪聲溫度可以簡(jiǎn)化信號(hào)鏈的評(píng)估以及相關(guān)公式，并且還可以提供一個(gè)非常有用的指標(biāo)，用于定義不太有形的來(lái)源的噪聲，如彌漫在天空中的噪聲（是的，天空也是一種噪聲源）。

 

在無(wú)線鏈路中，等效輸入噪聲溫度TEQ等于兩個(gè)噪聲溫度之和：天線輸出端的噪聲溫度 TANT和接收器電路的系統(tǒng)噪聲溫度TSYS：

 

TEQ= TANT + TSYS

 

您可線性添加各個(gè)階段的噪聲溫度，以表征信號(hào)鏈中任何點(diǎn)的噪聲（圖1）。

 

圖1：以天線或其他來(lái)源的等效噪聲溫度為起點(diǎn)，累加各階段的噪聲溫度可確定系統(tǒng)中各點(diǎn)的噪聲。（圖片來(lái)源：新澤西理工學(xué)院）

 

在數(shù)百兆赫 (MHz) 和數(shù)十吉赫 (GHz) 頻率下工作的無(wú)線電、雷達(dá)和以空間為中心的射頻系統(tǒng)中，由于可以很容易地過濾和衰減低頻噪聲，因此低頻噪聲不是問題。相反，噪聲的主要來(lái)源是背景輻射噪聲以及內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。因此，任何分析都必須包含這兩項(xiàng)噪聲源。如果天線指向天空，則噪聲源的等效輸入噪聲溫度(TEQ) 取決于太陽(yáng)的相對(duì)位置及其各種周期（請(qǐng)參見JPL/NASA論文 "Solar Brightness Temperature and Corresponding Antenna Noise Temperature at Microwave Frequencies"）。

噪聲溫度的用途

 

阿諾·彭齊亞斯 (Arno Penzias) 和羅伯特·威爾遜 (Robert Wilson) 通過研究這種“天空噪聲”發(fā)現(xiàn)了“宇宙微波背景輻射”(CMBR) 及其明顯意義（并因這一發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)）；（請(qǐng)參見“宇宙微波背景”）。他們的接收器是一個(gè)巨大的喇叭天線，而無(wú)論天線方向?yàn)楹?，接收器記錄到的天線溫度均超過4.2K，這一溫度幾乎均勻地彌漫在太空中（圖2）。雖然他們無(wú)法通過任何電路和系統(tǒng)噪聲分析來(lái)解釋這一現(xiàn)象，但最終通過分析證明，這一現(xiàn)象很可能是代表“大爆炸”遺留下來(lái)的熱量殘余物，是黑體輻射這一著名物理現(xiàn)象的體現(xiàn)。

 

圖2：2013年歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星拍攝到的宇宙微波背景輻射圖，該圖顯示了天空中的微小變化。（圖片來(lái)源：ESA/Planck Collaboration，通過Space.com網(wǎng)站）

 

不過，切勿因噪聲溫度這種貌似抽象的用途而對(duì)其失去興趣，因?yàn)樽鳛橐环N與噪聲相關(guān)的指標(biāo)，等效噪聲溫度除了可以進(jìn)行宇宙和太空相關(guān)的分析之外，其原理還具有實(shí)際的務(wù)實(shí)用途（不管從字面還是象征意義上講）。例如，天線噪聲溫度可以表示理想無(wú)噪聲接收器輸入端的假想電阻器的溫度，該接收器每單位帶寬產(chǎn)生的輸出噪聲功率與指定頻率下天線輸出端產(chǎn)生的噪聲功率相同。

 

當(dāng)然，噪聲幾乎是所有系統(tǒng)（無(wú)論是有線系統(tǒng)還是無(wú)線系統(tǒng)）都面臨的主要問題和挑戰(zhàn)。此外，我們還有很多能夠而且應(yīng)該討論的地方，例如帶寬及其對(duì)噪聲功率的影響等。噪聲因子、噪聲系數(shù)和噪聲溫度都是測(cè)量噪聲的有效方法，您可以輕松地將一個(gè)標(biāo)度的讀數(shù)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)。要使用“正確”的參數(shù)取決于所進(jìn)行的分析以及所需答案的類型。

 

關(guān)于作者

 

 

Bill Schweber是一名電子工程師，撰寫了三本關(guān)于電子通信系統(tǒng)的教科書，以及數(shù)百篇技術(shù)文章、意見專欄和產(chǎn)品特性說明。他擔(dān)任過EETimes的多個(gè)特定主題網(wǎng)站的技術(shù)管理員，以及EDN的執(zhí)行編輯和模擬技術(shù)編輯。

 

在Analog Devices, Inc.（模擬和混合信號(hào)IC的領(lǐng)先供應(yīng)商）工作期間，Bill從事營(yíng)銷傳播（公共關(guān)系），對(duì)技術(shù)公關(guān)職能的兩個(gè)方面均很熟悉，即向媒體展示公司產(chǎn)品、業(yè)務(wù)事例并發(fā)布消息，同時(shí)接收此類信息。

 

擔(dān)任Analog營(yíng)銷傳播職位之前，Bill 在該公司頗受推崇的技術(shù)期刊擔(dān)任副主編，并且還在公司的產(chǎn)品營(yíng)銷和應(yīng)用工程部門工作過。在此之前，Bill曾在Instron Corp. 工作，從事材料測(cè)試機(jī)器控制的實(shí)際模擬和電源電路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成。

 

他擁有電氣工程碩士學(xué)位（馬薩諸塞州立大學(xué)）和電氣工程學(xué)士學(xué)位（哥倫比亞大學(xué)），是注冊(cè)專業(yè)工程師，并持有高級(jí)業(yè)余無(wú)線電許可證。Bill還規(guī)劃、撰寫并講授了關(guān)于各種工程主題的在線課程，包括MOSFET基礎(chǔ)知識(shí)、ADC選擇和驅(qū)動(dòng)LED。

 

來(lái)源：得捷電子DigiKey  作者：Bill Schweber