噪声有“温度”吗?答案有些意外

原标题:噪声有“温度”吗?答案有些意外

“噪声因子”和“噪声系数”的概念相当直观:是指输入信号传到输出端的过程中,某个器件(如放大器)添加到输入信号的噪声,或者是无源器件内部的热运动所产生的噪声。

这种内部产生的不可避免噪声有许多来源,包括熵、器件和材料的物理现象、电子的随机运动以及各种缺陷,这些来源可以证明噪声产生的一些原因。

噪声因子和噪声系数

噪声因子(F) 的量化定义很简单:它是输入信噪比 (SNR) 与输出SNR 的比值:

噪声因子(F) = (输入信号/输入噪声)/(输出信号/输出噪声)

即使是诸如电阻器等无源非增益器件,也具有噪声因子,其定义为通过实际电阻产生的噪声与理想电阻的简单热噪声的比值。为实现比较标准化,噪声因子在290K的标准温度下进行测量,选择这一温度值主要是依据哈拉尔·弗里斯 (Harald Friis) 于20世纪30年代在贝尔电话实验室开展的开创性研究结果。比较所用的标准噪声源具有KT噪声级,其中K是指玻尔兹曼常数 (1.38 × 10-23J/K)。

那么,如何得到噪声系数(NF) 呢?

其实关系很简单:NF(单位:dB) = 10 × log (F)。

为什么既有噪声因子(F),又有噪声系数(NF)呢?这取决于所进行的信号路径分析类型。对于某些类型的分析,F更有用,而对于另一些分析,NF可以简化公式。

不过,随后还会介绍一个“噪声”参数:噪声温度。噪声怎么会有温度呢?为什么要将噪声与温度联系起来呢?

不一样的“噪声温度”

原因如下:噪声温度是表征噪声幅度和相关信噪比变化的另一种方法。噪声温度用于射频链路,特别是那些与射电天文学相关的链路、面向太空的链路以及其他非地面系统。

首先从噪声温度(NT) 的定义入手:

NT=290 × (F-1) [“290”是指上文提到的标准参考温度]

介绍到这里,噪声温度似乎只是量化噪声的另一种方式,但其实它还有更多作用。噪声温度是一个理论上的“抽象”指标,其给出的等效温度可以产生所见的同等大小的噪声功率。请记住,这种等效噪声温度(通常用TEQ表示),并不代表您用温度计测量放大器所得出的实际温度。

那么,为什么还要使用噪声温度和TEQ呢?同样,对于某些类型的分析,噪声温度可以简化信号链的评估以及相关公式,并且还可以提供一个非常有用的指标,用于定义不太有形的来源的噪声,如弥漫在天空中的噪声(是的,天空也是一种噪声源)。

在无线链路中,等效输入噪声温度TEQ等于两个噪声温度之和:天线输出端的噪声温度 TANT和接收器电路的系统噪声温度TSYS:

TEQ= TANT + TSYS

您可线性添加各个阶段的噪声温度,以表征信号链中任何点的噪声(图1)。

图1:以天线或其他来源的等效噪声温度为起点,累加各阶段的噪声温度可确定系统中各点的噪声。(图片来源:新泽西理工学院)

在数百兆赫 (MHz) 和数十吉赫 (GHz) 频率下工作的无线电、雷达和以空间为中心的射频系统中,由于可以很容易地过滤和衰减低频噪声,因此低频噪声不是问题。相反,噪声的主要来源是背景辐射噪声以及内部产生的噪声。因此,任何分析都必须包含这两项噪声源。如果天线指向天空,则噪声源的等效输入噪声温度(TEQ) 取决于太阳的相对位置及其各种周期(请参见JPL/NASA论文 "Solar Brightness Temperature and Corresponding Antenna Noise Temperature at Microwave Frequencies")。

噪声温度的用途

阿诺·彭齐亚斯 (Arno Penzias) 和罗伯特·威尔逊 (Robert Wilson) 通过研究这种“天空噪声”发现了“宇宙微波背景辐射”(CMBR) 及其明显意义(并因这一发现获得诺贝尔奖);(请参见“宇宙微波背景”)。他们的接收器是一个巨大的喇叭天线,而无论天线方向为何,接收器记录到的天线温度均超过4.2K,这一温度几乎均匀地弥漫在太空中(图2)。虽然他们无法通过任何电路和系统噪声分析来解释这一现象,但最终通过分析证明,这一现象很可能是代表“大爆炸”遗留下来的热量残余物,是黑体辐射这一著名物理现象的体现。

图2:2013年欧洲航天局的普朗克卫星拍摄到的宇宙微波背景辐射图,该图显示了天空中的微小变化。(图片来源:ESA/Planck Collaboration,通过Space.com网站)

不过,切勿因噪声温度这种貌似抽象的用途而对其失去兴趣,因为作为一种与噪声相关的指标,等效噪声温度除了可以进行宇宙和太空相关的分析之外,其原理还具有实际的务实用途(不管从字面还是象征意义上讲)。例如,天线噪声温度可以表示理想无噪声接收器输入端的假想电阻器的温度,该接收器每单位带宽产生的输出噪声功率与指定频率下天线输出端产生的噪声功率相同。

当然,噪声几乎是所有系统(无论是有线系统还是无线系统)都面临的主要问题和挑战。此外,我们还有很多能够而且应该讨论的地方,例如带宽及其对噪声功率的影响等。噪声因子、噪声系数和噪声温度都是测量噪声的有效方法,您可以轻松地将一个标度的读数转换为另一个。要使用“正确”的参数取决于所进行的分析以及所需答案的类型。

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