噪声测量外文翻译资料

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（David Adamson, NPL）

摘要

主要噪声标准

如何进行噪声测量

放大器（复杂）的噪声参数

涉及到的不确定性和准确性问题

本文主要讨论如何进行噪声测量,以显示如何通过最终用户的要求确定噪声测量的主要标准和精度限制，在此基础上讨论噪声参数测量的结果。本文也将考虑提高典型测量精度的方法。

作者简介

David Adamson是通信计量、太赫兹计量和导波计量(尤其是在是功率和噪声方面)领域的首席科学家。

之前在NPL时他作为射频微波团队的团队经理，负责使这个团队在所有方面顺利运行。这个角色负责包括天线参数测量在内的射频微波的团队工作，以及其它自由场参数、介质、包括噪声，电力，阻抗和衰减在内的导波参数的测量。NPL射频微波团队在射频微波测量标准方面是世界领衔的组织之一，并且它有着广泛研究领域的活动。

1、引言

在任何经典系统（即非量子）中灵敏度的极限将在被干扰或在本系统内产生的随机信号的情况下被设置。在本文中，我们并不关心在干扰的地方设置的极限，因此从今以后，我们将考虑只在最终的灵敏度是由随机信号设置的情况。这些随机的最小可能值信号一般是由统称为噪声的物理现象设置的。如果我们感兴趣的是确定系统的灵敏度极限，那么我们将要测量其确定限制随机信号。另外，我们希望设计一个系统以达到所选择的灵敏度的水平，我们将希望有方法以允许它们在系统中也可以预期随机信号。

在本文中，我们对在光谱的微波和射频区域对随机信号敏感的系统很感兴趣。然而，其中的一些原理适用于任何频率，甚至是和电磁信号毫不相关的系统。

在电子系统中产生的随机信号通常被称为电气噪声。噪声的概念是熟悉的人谁有调谐调幅收音机一点与车站的扬声器会产生嘶嘶的噪音是由于系统中的电噪声。这也分析了噪音发声的内在原因（产生于接收器内部）和外在原因（大气层或者其他空中的原因）。我们通常会尝试着选择外在因素和内在因素能够结合起来、方便超控的系统组件来设计。对于一个没有天线系统，精心筛选可以确保外部噪声是零，但与天线系统总是会受到一些外部噪声水平只能被改变，通过精心设计和甚至然后，只能在一定的范围内。

内部噪声的来源包括电子在材料中的各种随机涨落，它是要认识到，在一个经典的系统，这些波动的水平无法被零除当系统完全是在绝对零度（0 K）的温度很重要，有多种方法减少了元器件的选择和系统噪声温度的例子。在本文中我们有兴趣的方法是射频微波的操作系统在射频电子系统的噪声测量。

这是值得花一点时间考虑什么样的随机信号，我们正在思考时，我们指的噪音。噪声信号有任意振幅在任何速溶和振幅在一瞬间不能用以前的任何历史数据预测的幅度。由于噪声是随机信号的时间平均偏移值将为零，因此我们认为均方根值的大小。电压的均方根值与噪声信号的平均功率成正比。理论方面的原因，往往考虑的是具有高斯概率密度函数的幅度显。这是因为，一个主要的噪声源（热噪声）给出了一个理论的高斯分布，因为，如果噪声具有高斯分布，分析了噪声。在实际情况中，噪声是不可能成为真正的高斯自会有振幅和带宽的限制，这将防止这种情况发生。然而，在大部分情况下，一个高斯分布假设是足够接近现实，使它成为一个令人满意的模型。“白噪声”一词常被用白色光比喻来描述一种情况，其中的噪声信号覆盖非常大的（有效的无限）带宽。当然，来自太阳的白光在光学波段的噪声信号。

在几乎所有的情况下，没有噪声源之间的相关性，所以噪声是非相干的。这意味着，如果我们有一个系统的噪声来源，总的噪声可以通过总结发现个体噪声功率。在某些情况下，在这种情况下，有可能是噪声信号之间的相关性，在这种情况下，分析更复杂。这种情况的一个常见的例子是在一个系统内产生的噪声信号传播BTH对输入和输出。如果一些噪声信号然后向输入输出反馈，例如将在输出的反射和原始信号之间有一定程度的相关性。

2.噪声的类型

2.1 热噪声

热噪声或者约翰逊噪声是噪声最根本的来源，它在所有系统中都存在。在任何温度高于绝对零度的情况下，电子（和其他电荷）的材料中的电路都会有一个随机运动引起的温度。这将发生在有源和无源元件的电路。任何运动的电荷产生电流，并在存在电阻，电压。电压会随机变化的时间和在其平均平方值来描述。首先由奈奎斯特方程式。

(W) (1)

k= 玻耳兹曼常数（1.38times;10-23 焦耳/K）

R=电阻（欧姆）

T=开尔文绝对温度（K）

B=频率（赫兹）

显然，可用的功率与此电压的平均方为：

(W) (2)

带宽B是一个系统的功能，而不是噪音。因此，它可以是有用的定义一个参数，这仅取决于噪声源，而不是在系统上。这是已知的可用功率谱密度：

(W) (3)

事实上，这些表达式仅仅是近似的自补量子力学分析得到的功率谱密度的一个等价的表达式：

S=kphi; (4)

phi;=TP（f） (5)

（6）

h是普朗克常数（6.626times;10-34

f为频率（Hz）

phi;跟“量子噪声温度”有关

当温度T非常低或则频率f非常高的时候，P是不变的，方程3跟方程4也是相等的。

2.2 散粒噪声

在有源器件中，最重要的噪声源是从电荷载体离散的事实而产生的，并且是随机发射的。在本文中，这是最容易的可视化的热离子阀但也同样适用于固态器件。因此，瞬时电流的变化在一个随机的方式，将噪声对器件的输出信号的平均电流。

2.3 闪烁噪声

噪声的另一个原因是闪烁噪声，也被称为1/f噪声，因为幅度变化与频率成反比。所以，它在频率在几千赫兹以上是非常重要的，而且难以发现。

3．噪声的定义

测量时，测量噪声通常是平均噪声功率或均方噪声电压的基本量。然而，在瓦特方程2中，我们可以表达的噪声作为等效噪声温度，它是非常经常容易地做到这。如果等效热噪声功率源是来自kTeB相当于Te是有效噪声温度的来源。噪声源通常指定为一个给定的值的超噪比或ENR，单位是分贝。ENR的定义是：

ENR=10Log10dB （7）

T0 是290 K(17°C)的标准温度。

上面给出的定义是可用功率为共轭匹配负载。在过去，一些实验室测量噪声功率为一个完美的匹配负载提供一种有效噪声温度Te和一个有效的ENR值。

(8)

ENR=10Log10 （9）

Г是噪声源的反射系数。ENR和ENR之间的区别如下图1所示：

图1 源反射系数图

从图1可以看出，误差小的反射系数的小幅度，但变得相当大的反射系数增加。噪声源与ENR的高价值通常很不匹配，这可能会成为重点。

噪声接受性能通常被指定为噪声系数或噪声系数。噪声系数的定义可以在一些地方找到；例如，电信联盟行业解决方案，摘录自定义状态，参考文献5：

它由以下两个因素决定：

（a）输出、输入的热噪声功率测量（确定）的比率，通常用分贝表示。

（b）系统增益减去（a）中的结果，用分贝表示。

在一些系统中。例如，外差系统，总输出噪声。电源包括热源以外的噪声，如从镜像变换杂散噪声的贡献，但从这些来源。不考虑噪声系数的确定。在这些例子中，噪声系数仅取决于通过系统的主频率变换在输出中出现的噪声，并且不包括通过图像频率变换而出现的噪声。

在罕见的情况下（最明显的射电天文学）的主要频率变换可以有两边带，但通常只考虑一个边带。术语“噪声”和“干扰因素”通常被认为是同义词，虽然有时长期噪声因子用于线性的价值（不用dB）而噪声图使用的值是对数表示分贝，为了适应这种区别这里有：

F= (10)

其中，F是噪声系数，G是增益，B是带宽。所以，总的输出噪声功率N0公式为：

(11)

输入终止贡献量为GkT0B，来自接收本身的噪声贡献量Nr为：

（12）

在很强的噪声情况下（如无线电天文学或卫星地面站）是比较常用的等效输入噪声温度。在参考文献6中给出定义，如下：

在一对终端，一个被动系统的温度，具有一个可用的噪声功率单位带宽在一个特定的频率等于一个网络的实际终端。

在大多数情况下，对所选择的终端是在输入的设备，使输出的所有噪声指向输入设备，假设所有的噪音是由一个被动的终止温度Tr产生。Tr是接收机的等效输入噪声温度。

噪声温度和噪声系数是有简单联系的，由方程12有：

（13）

从等效噪声温度的定义有：

Ni=kTrB (14)

（15）

在输入的总噪声温度通常被称为工作噪声温度。

Top=Ts Tr （16）

Ts为源温度。在这里，我们假设源噪声温度和接收设备的噪声温度是没有关系的，通过求噪声温度和得到总的噪声温度。

4.噪声源的类型

有几种类型的噪声源，其中有四种是常见的。其中2种是非常有用的，作为噪声的主要标准，而其他2种更加实用。

4.1 热噪声源

热噪声的来源是非常重要的，因为它们是用来作为在世界各地的主要噪声源的噪声标准。为了产生这样的噪声源，微波负载被保持在已知温度下。在一个非常好的标准的非环境温度与环境温度的输出可以无限尖锐的阶跃变化之间的传输线，它将有零损失。如果这些理想化的发生，装置输出的噪声温度的计算将是微不足道的。然而，在实际应用中，传输线不能满足这些要求。沿传输线的长度从非环境环境的转变，每个无穷小线路，对有损线路段都将产生噪声功率的比例和吸收自身的入射功率。计算出这个效果，必须对线路损耗的测量和沿线路长度进行了调整。

在英国，大多数用在673K的热标准作为主要标准，有部分用在77K的冷标准作为作为主要标准。这些在参考文献7，8，9，10中有描述，同时也是在NPL为全球客户校准噪声源。商业热噪声源已经被使用，但是，在过度部分和其它因素的衰减量中设备提供的精度是有限的，比不上国家标准实验室提供的设备。

4.2 限制温度二极管

这不是一个特别常见的噪声源。它是通过使用热离子二极管的温度限制的方法，这里所有的发射的电子从阴极到阳极。在这种情况下，电流噪声是由散粒噪声统计确定并计算。换句话说，它可以用来作为一个主要的标准，但是，由于影响如运输时间和电极间的电容，这些设备以前只能用于相对较低的频率到300兆赫。该设备在参考文献11中有描述。

4.3 气体放电管

气体放管是一种优良的宽带噪声源。这种管是参考文献12中描述的。噪声信号是由电子在放电中的随机加速度和减速所产生的，因为它们与气体中的原子、离子或分子碰撞。一般而言，使用的气体是氩气，氖或低压氙气。噪声温度通常在10000K。商业上可用的波导器件仍然可以得到，对于更高的频率，这些都是非常好的来源。气体管安装在波导管的角度上，而波导管通常在一端是良好的负载，另一端则是装置凸缘。该设备的匹配通常是良好的，在反射的变化系数之间的“开”和“关”状态是非常小的。在一个实际测量的“开”状态提供了一个高噪声温度，而“关”状态提供了一种在设备的物理温度附近的噪音温度。这些设备是可获得的频率为220千兆赫[ 13 ]。这些设备是不可计算的，因此在使用前需要校准。一旦校准，它们是相对稳定的，如果小心处理，将保持其校准。

4.4 雪崩二极管噪声源

这

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