噪声测量

相关tags:

[外文]：noisemeasurement噪声通常指任意的随机干扰。这种干扰损害所需信号的质量并降低实际测量的可靠性。热噪声普遍存在于电子元件、器件、网络和系统中，因此噪声测量主要指电子元件和器件、网络和系统的热噪声和特性的测量。热噪声又称白噪声或约翰逊噪声，是由处在一定温度下的各种物质内部微粒作无规律的随机热运动而产生的，常用统计数学的方法进行研究。其概率分布为正态分布，在整个无线电频段内有均匀的功率谱密度。除热噪声以外，其他如真空电子器件中的散弹噪声、半导体器件中的随机噪声、等离子体产生的起伏噪声等也具有随机性质，因此也可用类似方法进行分析。普遍存在于频率源中的相位噪声，一般用幂律谱噪声模型来描述(见频率稳定度测量)。噪声定理1928年H.奈奎斯特根据热力学第二定律推导出电阻器R产生的资用噪声功率P＝kTB，式中k为玻耳兹曼常数；T为电阻器绝对温度(K)；R电阻值(欧)；B为测量系统的带宽（赫）。这就是奈奎斯特定理，它与约翰逊在实验中发现的无外加电压的电阻器R为两端存在噪声电压（其均方值为尃2＝4kTRB）的现象相符。网络的噪声特性通常用噪声系数F或等效输入噪声温度Te来表征线性网络的噪声特性。当输入和输出信号为单一频率时，两者具有简单的数学关系Te=290(F-1)。在特定输入频率，噪声系数为以下两个噪声功率之比：一个是网络输出端的单位带宽总噪声功率（包括处于标准温度290K的输入端和网络内部元件产生的噪声功率之和）；另一个是假定网络没有噪声，而只有处于标准温度290K的输入端所产生的噪声时网络输出端的单位带宽噪声功率。噪声系数的定义也可以是网络输入端信噪比与输出端信噪比之比。网络内部噪声的影响，使输出端信噪比变坏，噪声系数表示信噪比变坏的量度，其值越大表示网络内部噪声越大。平均噪声系数択用来描述覆盖一个频段的噪声特性。等效输入噪声温度是在特定输入频率下当这一噪声温度接在等效无噪声网络的输入端时所引起的输出噪声功率，等于噪声温度不接入时，这一有噪声网络所引起的输出噪声功率。同样，平均等效输入温度堟e用来描述覆盖一个频段的噪声特性。噪声系数的定义自从40年代初提出后，1953年被确定为无线电工程师协会(IRE)标准，已得到广泛应用；而噪声温度的概念更多用于近代低噪声系统和器件。噪声特性的测量方法最常用的是噪声源法，也称为Y系数法（见图）。若噪声源分别输出准确已知的温度T1和T2，设Te为被测件的等效输入噪声温度；G为全系统的增益；B为带宽；Y为接入T1时的输出P1与接入T2时的相应输出P2之比，即Y=P2/P1=(T2+Te)kBG/(T1+Te)kBG=(T2+Te)/(T1+Te)。从而得出，Te=(T2-YT1)/(Y-1)和噪声系数F=Te/290+1。标准噪声信号的T1和T2通常取自气体放电管噪声源的点燃和熄灭两种工作状态，也可取自饱和二极管噪声源的两种不同灯丝电压工作状态，或固态噪声源的激励和不激励两种工作状态，也可以取自处于两种不同温度下的源电阻。输出噪声功率可以用功率计检测，也可以使用校准的检波器，更常用的是校准接收机(或辐射计)。接收机中一般接有精密衰减器，当输入不同噪声信号电平时，调节衰减器使输出指示保持恒定，衰减器的变动量就是Y值。噪声源输出任何形式噪声信号以供测量使用的发生器。最常用的有气体放电管噪声源、饱和二极管噪声源、固体噪声源和电阻性负载噪声源。（1）气体放电管噪声源：在气体放电时形成的等离子体中，带电粒子的随机热运动会产生噪声。充有惰性气体氩或氖的充气管（和荧光灯很相似），配以与等离子体有良好电耦合的同轴型或波导型传输线便构成噪声源。根据气体放电理论算得的电子温度，就是噪声源的输出噪声温度，通常在10000～18000K之间，取决于所充气体的性质、气压、管径、传输线的耦合状况、工作状态和环境温度等因素，须经校准后方能使用。这种噪声源的频率为几十兆赫到几十吉赫，具有平坦的谱特性，其输出电平通常用超噪比(ENR)表示，即噪声温度超过标准室温T0(290K)的倍数，ENR(分贝)＝10lg[Te/T0-1]。氩管的超噪比约为15.5分贝，氖管约为18分贝。（2）饱和二极管噪声源：它是钨阴极的真空二极管，工作在限温区，即阴极发射的全部电子都到达板极。电子发射的随机性（散弹效应）引起散弹噪声，故调节板极电流I即可使输出电平从290K调变到20000K，它受管子尺寸和环境等因素的影响，因此须经校准后方能使用。这种噪声源能工作于几千赫到几吉赫，其输出电平也用超噪比表示，为0～20分贝。（3）固体噪声源：它是工作在PN结击穿崩溃区的雪崩二极管，利用其载电粒子的随机性产生高达105K的输出噪声电平。为了改善输出阻抗特性，用10分贝衰减器衰减后输出10000K噪声电平。它受制作工艺、工作状态和环境等的影响，须校准后方能应用。这种噪声源能工作于整个无线电频段，有平坦的谱特性，具有轻巧、省电、简便等优点，已广泛应用于噪声测量。（4）电阻性负载噪声源：由一个电阻性匹配负载和一段传输线构成，根据奈奎斯特定理，它产生噪声功率P=kTB。由于负载电阻和传输线材料的限制，它的温度不能过高，由几K到1000K量级，适用于低噪声值测量。当负载温度高于、等于或低于室温时，负载分别为热负载、室温负载或冷负载，可用作标准噪声源。电阻性负载噪声源能工作于整个无线电频段，具有平坦的噪声谱特性。其输出电平常用噪声温度T表示，液氦型为4.2K，液氮型为78K，室温负载为300K，沸点型为373K，其他热负载为400K～1200K。噪声标准和校准系统噪声标准是输出电平准确已知的标准噪声源，通常由电阻负载、传输线和加热电阻炉或致冷杜瓦瓶构成。它完全遵循奈奎斯特定理工作，输出噪声功率P＝kTB，经过准确测温并严格计算传输线产生的影响，即可精确推知其输出噪声电平。1000K左右的热标准精确度可达4K，78K的液氮冷标准精确度可达0.3K，而4.2K的液氦冷标准精确度可达0.05K。校准系统是用来精确比较二个噪声源间电平差值的测量系统，与噪声标准源配套构成噪声标准装置。校准系统实际上是一个高灵敏度、高精度的测试接收机，常称作辐射计。常用的型式有全功率接收式辐射计、狄克辐射计及其改进型（零平衡指示式）、附加噪声注入式辐射计和相关接收式辐射计等。辐射计标准系统中，读取噪声电平差值的精密衰减器是确定系统精确度的关键部件。输出超噪比为15.5分贝的气体放电噪声源的校准精度可达0.03分贝；液氮致冷的780K冷负载噪声源的校准精度为0.06K。