天天挂在嘴边的级联噪声系数公式,是怎么推导来的?

原创 加油射频工程师 2024-07-17 11:10

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(1)电阻产生的热噪声

物理器件中,载流子的随机运动,会产生热噪声。比如说阻值为R的电阻,其所在环境的温度为T(K),其内部电子的随机运动,在电阻两端会产生小的电压波动,这个电压波动的平均值为0,但是有一个非零的均方根值。

这个电压,由普朗克黑体辐射定律得到,这个公式对任何频率都有效,且与频率相关。

但是,在我们常规的频率和温度下,hf<

所以,一般情况下,上面的式子,可以简化为:

这个式子,就是我们用来推导噪声系数的源头。


(2) 噪声功率

当阻值为R的噪声电阻与阻值为R的负载电阻连接时,负载所获得的功率为:

在这里,电阻产生的热噪声功率与频率无关,噪声功率谱密度在不同频率处,保持恒定的值,所以是一种白噪声。

独立的白噪声源,可以看成是高斯分布的随机变量,所以这些独立噪声源之间的噪声功率是可以叠加的。

噪声功率可以线性叠加,是下面公式推导的一个前提条件。


(3) 等效噪声温度

前面的推导,是基于电阻的。

其实,还可以扩展到任何噪声源,只要其输出的噪声近似于白噪声。

比如说有一个噪声源,如上图所示,向内看到的电阻是R,输出的噪声功率为N0,那么就可以把它用等效噪声温度为Te的有噪电阻R来等效,而Te可以由下式得到。

因此,可以用等效噪声温度来对器件或系统进行表征。

比如说,增益为G的放大器的等效噪声温度为Te,即可以看成,其输入端有一个等效噪声源,其噪声功率为KTeB,然后经过一个无耗的增益为G的放大器,噪声输出功率为GKTeB。

了解这一点,下面的推导就很容易理解。


(4) 等效噪声温度与噪声系数之间关系

噪声系数,是衡量SNR的恶化程度,其定义为:

所以,对于上面框图,可以得到:

即器件的等效噪声温度,与器件的噪声系数之间的关系。

(5) 级联噪声系数公式的推导

结合前面的一些结论,就可以得到噪声系数的级联公式。

参考文献:

[1]  DAVID M.POZAR,Microwave Engineering

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