噪声系数是否取决于输入噪声功率?

信息处理 噪音
2022-02-06 04:33:24

我在 Wikipedia ( https://en.wikipedia.org/wiki/Noise_figure ) 上阅读有关噪声系数的信息。在那里,我看到了以下定义:

因此,噪声因子是实际输出噪声与设备本身不引入噪声时剩余噪声的比率,或输入 SNR 与输出 SNR 的比率。

噪声系数在哪里10log10(Noise Factor).

这在我心中产生了一个问题。

如果将放大器的噪声系数作为常数给出(例如,噪声系数 =5.5dB),因为放大器噪声是相加的(即它的功率加到输入噪声功率上),那么放大器噪声必须依赖于输入噪声功率,这与我的直觉相矛盾。

例如,放大器的增益为1(即没有放大,没有衰减)的NF5.5dB,它保留了输入信号功率,在某种意义上

Pout=GPin=Pin
σnoise,out2=Gσnoise,in2+σamplifier2=σnoise,in2+σamplifier2
因此
Noise Factor=σnoise,out2σnoise,in2=1+σamplifier2σnoise,in2=100.55=3.55
σamplifier2=2.55σnoise,in2(!!)

但是,我们知道噪声系数在实践中被高度使用。我的理解错误在哪里?

2个回答

为了回答您的问题,噪声系数是假设在适当匹配的系统中没有提供先前的噪声放大,将添加到放大器输入的噪声量。这等同于输出的 SNR 相对于输入的 SNR 的变化,并且没有其他增益的输入噪声水平通常称为“热本底噪声”。

NF放大器模型

因此,在您的示例中,如果放大器的增益为 1(0 dB)且噪声系数为 5.5 dB,那么在这种情况下,信号输出将等于输入信号(增益 = 1),但噪声输出将比信号输入高 5.5 dB。(因此,如果您遵循 SNR 输出与 SNR 输入,您会发现这会成立)。

为了进一步演示,考虑放大器是否具有 10 dB 的增益和相同的 5.5 dB 噪声系数。在这里,信号输出将比信号输入高 10 dB,但噪声输出将比噪声输入高 15.5 dB。

现在为了进一步演示噪声系数,考虑在我们嘈杂的 5.5 dB NF 放大器前面添加无噪声 10 dB 增益放大器的相同情况:在噪声放大器的输入端,信号将高出 10 dB,噪声将为 10相对于热本底噪声更高的 dB。我们的噪声放大器相对于热本底噪声增加了 +5.5 dB 的噪声,因此根据此噪声系数模型参考噪声放大器输入,在这种情况下,总噪声将为:

10Log(1010/10+105.5/10)=11.32dB 高于热本底噪声。

此时信号将比输入信号电平高 10 dB。

(请注意,这当然不是在输入端测量的实际电平,而是在放大器输出端测量的“输入参考”噪声——因为噪声是在放大过程中添加的)。

在我们嘈杂的放大器的输出端,由于其 +10 dB 增益,信号以及噪声将额外高出 10 dB,从而导致最终噪声输出电平比热本底噪声高 21.32 dB。信号电平的总变化为 +20 dB,而噪声电平的总变化为 +21.32 dB。因此,SNR 的变化仅为 1.32 dB。这是级联噪声系数展示了现有的低噪声放大器如何降低系统的整体噪声系数。下面给出了实际的公式,但遵循上面的细节有助于给出它是如何工作的背景。底线是噪声系数是相对于热噪声本底的器件输入的附加噪声。事先增加信号和噪声可以在以后消除这些额外增加的噪声。

FT=F1+F21G1+F31G1G2...

在哪里

NF=10Log10(F)

以 dB 为单位的增益 =10Log10(G)

假设源是电阻性的,在室温下给出噪声系数(通常人们使用 300K,因为它是一个很好的整数),并且与设备的特性阻抗相匹配。

有时当天线指向热或冷的东西时,您可能会看到“带有 XXX 开尔文源的噪声图”,但这很奇怪。更常见的情况是,如果无线电将用于天线可能指向冷物体(如天空,在任何未被大气吸收的波长下看起来都很冷)的服务中,则接收器将使用噪声来表征温度,而不是噪声系数。