接收机射频热噪声分析

接收机射频热噪声分析

郝琴

甘肃长风电子科技有限责任公司甘肃兰州730070

摘要：本文首选介绍了电路噪声理论基础，通过建立了接收机射频通道的简化模型，推导了射频通道的噪声系数表达式，并分析了接收机射频通道的热噪声特性。

关键词：射频热噪音分析

在电子系统中，噪声被用来描述附加在电信号上面的、任何不希望出现的扰动。在无线电通信、雷达和导航系统中，信号传递过程的各个环节，都会附加各种各样的噪声。这些噪声对通信、雷达和导航系统的性能起着制约作用。实现低噪声设备的前提是发展电路噪声理论，设计低噪声电路及器件。目前随着集成电路一类器件的发展及应用，对复杂电路的噪声分析计算以及设计，已经越来越具有重要性。

1接收机射频热噪声概述

1.1热噪声含义

在实际接收机系统中，由于自然或者人为的原因，存在各种起伏不定的随机的电压或者电流波动，这些波动叠加在有用信号上面会对系统的信息传递产生影响。而这些随机的波动往往是人们不希望出现的，因此被称为噪声。接收机输出的信号上面叠加的噪声一部分是在进入接收机前就已经具有的，称为外部噪声，另一部分是接收机内部产生的，称为内部噪声。外部噪声是信号在传输介质中传播时引入的噪声，包括人为噪声、大气噪声和空间噪声等。内部噪声是由接收机自身引入的，如电阻中的自由电子热运动引起的热噪声，晶体管中的载流子随机产生、复合和扩散引起的散弹噪声等，也称之为起伏噪声。其中，热噪声是由于导体内部自由电子和振动粒子的热相互作用而产生的。热相互作用导致电阻两端电子到达速度随机变化，因此电阻两端的电位差也随机变化，在某个值附近上下波动。电子设备的电阻总会产生热噪声。

1.2热噪声特征

1928年J.B.Johnson首先研究了热噪声，所以热噪声也被称为约翰逊噪声。由于热噪声的频率可以覆盖全部频段，并且在整个频域的功率谱密度为一恒定值，因此也被称为白噪声。一个阻值为R的电阻，在噪声频带宽度B内，产生的电压均方值是：

一个实际电阻可以等效为一个理想电阻和一个电压源串联的形式，如图一（a）所示，其中R是无噪声的理想电阻，用戴维南定理可以将该电路变换为一个电阻和一个电流源并联的形式，如图一（b）所示。

图一电阻热噪声模型

电流源的电流均方值为：

1.3热噪声的表示

（1）噪声系数。对于一个二端口网络，假设输入端的噪声温度是T0=290K，网络输入端的信噪比与网络输出端信噪比的比值就是噪声因子F，即：

噪声因子的对数形式称为噪声系数，用NF表示。噪声因子和噪声系数只是同一个量的不同表示形式，对于选定频率的线性系统而言,噪声系数是两个噪声功率之比,即在输出端得到的单位带宽总噪声功率(在相应的输出频率上)与在输入频率上由输入终端产生的那部分噪声功率之比。输入终端的噪声温度在任何频率上都是标准温度290°K。

（2）等效噪声温度。与噪声系数相同，等效噪声温度也是一个反映系统对噪声恶化程度的指标，噪声温度的定义从另外一个角度来理解系统的噪声模型。噪声温度的定义如下：将输入端等效为温度为T0=290K的电阻，二端口网络的可获噪声功率为No=Na+GkT0B。假设二端口网络不产生内部噪声，只经过一个理想放大器，输出的可获噪声功率为GkT0B。然后，增大输入端电阻的温度，使得输出端的可获噪声功率等于No，这时输入端增加的温度为Te，Te就是等效噪声温度。由等效噪声温度可以很容易表示系统的内部噪声功率，即Na=kTeB，这就是系统自身产生并附加到输出信号中的那部分噪声功率。

2射频噪声特性分析

2.1级联系统的噪声特性

接收机是个多级网络级联的系统，每一级在系统性能中的作用是不同。一个由n个二端口网络级联组成的系统，组成它的第i级网络的增益是Gi，噪声因子是Fi，其中n=1,2,3,…，i=1,2,3,…n。该系统作为一个二端口网络，其增益是G，噪声系数为F。其噪声系数的表达式为：

如果第一级网络的放大倍数比较高，那么后面各级的噪声系数对系统噪声系数的影响很小，第一级的噪声系数几乎决定了整个系统的噪声特性。这一结论在指导接收机的设计实践中具有非常重要的意义，它表明提高第一级低噪声放大器的放大倍数和降低其噪声系数可以有效地提高系统的噪声性能。

2.2射频通道的噪声系数

无线电接收机的种类很多，一般都需要进行下变频，下变频接收机的变频次数不确定，下变频所采用的本振频率可以低于信号频率，也可以高于信号频率。如果本振频率高于信号频率，那么变频后的信号频带就会发生倒置，原来的高频端被变换到低频端，原来的低频端，变换到高频端。如果变频采用的是一路本振信号，变频后的中频输出信号也只有一路。如果变频采用的是两个正交本振信号，变频后的中频输出信号有两路，这两路信号比一路信号保留了更多的信息。为了便于分析，首先对系统进行简化，将混频器前面的部分等效为一个低噪声放大器和镜频抑制滤波器，混频器后面的中频滤波器和中频放大器一般对整体噪声系数的影响较小，在这里将其等效为混频器的一部分。如图二，整个射频通道简化为由低噪声放大器（LNA）、镜频抑制滤波器（IRF）和混频器三部分组成。

图二接收机射频通道简化模型

在实际应用中放大器和滤波器都可以有很多级，这里是对射频通道作了适当的简化，目的是更加清晰地体现各个主要环节在整机的噪声系数中的作用。低噪声放大器的前级应该尽量减少无源器件，否则噪声系数会恶化。因此在该模型中，低噪声放大器位于滤波器的前级。

2.3特殊网络的噪声系数

在射频通道中，各组成部分的噪声特性不同，根据是否有源可以分为有源网络和无源网络，根据端口数量可以分为二端口网络和多端口网络。有关热噪声源的关系式可推广到任一无源二端口网络。若该无源网络包含若干个电阻，每个电阻都是热噪声源。应用戴维南等效电路，根据网络等效输出电阻的热噪声来计算网络输出的总可获噪声功率。接收机中的混频器是不可缺少的部分，其输入输出频率不同，下变频过程中要考虑镜像频率的影响。所以它的噪声系数的计算比其它部分复杂，并且混频器引入的噪声是很大的，因此在接收机的各个部分中它的噪声系数是要重点考虑的。混频器是将射频信号变换到中频信号的器件，输入信号的频率为fs，它与频率为fLO的本振频率经过混频后输出频率fi的中频信号，与fs相对于fLO对称的频率为fm（镜像频率），该频率的信号也会经混频器后变频到fi。

3结语

噪声是一种随机信号，其频谱分布在这个无线电频率范围，它是影响各类接收机性能的主要因素之一。通过对介绍及射频噪声型号的分析，计算出接收机在大动态范围内的噪声系数，以正确地完成射频通道的低噪声设计。

参考文献：

[1]戴彬,陈迪平,刘文用.一种新型超宽带CMOS低噪声放大器设计[J].微计算机信息.2007(29)

[2]高雅.超宽带接收机射频前端电路设计[D].广西大学2014

[3]王刚.噪声系数再分配对优化无线通信接收机结构的分析研究[D].上海交通大学2007