噪聲測量
正文
噪聲通常指任意的隨機干擾。這種干擾損害所需信號的質量並降低實際測量的可靠性。熱噪聲普遍存在於電子元件、器件、網路和系統中，因此噪聲測量主要指電子元件和器件、網路和系統的熱噪聲和特性的測量。熱噪聲又稱白噪聲或詹森噪聲，是由處在一定溫度下的各種物質內部微粒作無規律的隨機熱運動而產生的，常用統計數學的方法進行研究。其機率分布為常態分配，在整個無線電頻段內有均勻的功率譜密度。除熱噪聲以外，其他如真空電子器件中的散彈噪聲、半導體器件中的隨機噪聲、電漿產生的起伏噪聲等也具有隨機性質，因此也可用類似方法進行分析。普遍存在於頻率源中的相位噪聲,一般用冪律譜噪聲模型來描述(見頻率穩定度測量)。
噪聲定理 1928年H.奈奎斯特根據熱力學第二定律推導出電阻器R產生的資用噪聲功率P＝kTB,式中k為玻耳茲曼常數；T為電阻器絕對溫度(K)；R電阻值(歐)；B為測量系統的頻寬（赫）。這就是奈奎斯特定理，它與詹森在實驗中發現的無外加電壓的電阻器 R為兩端存在噪聲電壓（其均方值為尃2＝4kTRB）的現象相符。
網路的噪聲特性 通常用噪聲係數F 或等效輸入噪聲溫度Te來表征線性網路的噪聲特性。當輸入和輸出信號為單一頻率時,兩者具有簡單的數學關係Te=290(F-1)。在特定輸入頻率，噪聲係數為以下兩個噪聲功率之比：一個是網路輸出端的單位頻寬總噪聲功率（包括處於標準溫度290K的輸入端和網路內部元件產生的噪聲功率之和）；另一個是假定網路沒有噪聲，而只有處於標準溫度290K的輸入端所產生的噪聲時網路輸出端的單位頻寬噪聲功率。噪聲係數的定義也可以是網路輸入端信噪比與輸出端信噪比之比。網路內部噪聲的影響，使輸出端信噪比變壞，噪聲係數表示信噪比變壞的量度，其值越大表示網路內部噪聲越大。平均噪聲係數 択用來描述覆蓋一個頻段的噪聲特性。等效輸入噪聲溫度是在特定輸入頻率下當這一噪聲溫度接在等效無噪聲網路的輸入端時所引起的輸出噪聲功率，等於噪聲溫度不接入時，這一有噪聲網路所引起的輸出噪聲功率。同樣，平均等效輸入溫度堟e用來描述覆蓋一個頻段的噪聲特性。噪聲係數的定義自從40年代初提出後，1953年被確定為無線電工程師協會(IRE)標準,已得到廣泛套用；而噪聲溫度的概念更多用於近代低噪聲系統和器件。
噪聲特性的測量方法 最常用的是噪聲源法，也稱為Y 係數法（見圖）。若噪聲源分別輸出準確已知的溫度T1和T2，設 Te為被測件的等效輸入噪聲溫度；G為全系統的增益；B為頻寬；Y為接入T1時的輸出P1與接入T2時的相應輸出P2之比,即Y=P2/P1=(T2+Te)kBG/(T1+Te)kBG=(T2+Te)/(T1+Te)。從而得出，Te=(T2-YT1)/(Y-1)和噪聲係數F=Te/290+1。標準噪聲信號的T1和 T2通常取自氣體放電管噪聲源的點燃和熄滅兩種工作狀態，也可取自飽和二極體噪聲源的兩種不同燈絲電壓工作狀態，或固態噪聲源的激勵和不激勵兩種工作狀態，也可以取自處於兩種不同溫度下的源電阻。輸出噪聲功率可以用功率計檢測，也可以使用校準的檢波器，更常用的是校準接收機(或輻射計)。接收機中一般接有精密衰減器，當輸入不同噪聲信號電平時，調節衰減器使輸出指示保持恆定，衰減器的變動量就是Y值。
噪聲測量① 氣體放電管噪聲源：在氣體放電時形成的電漿中，帶電粒子的隨機熱運動會產生噪聲。充有惰性氣體氬或氖的充氣管（和螢光燈很相似），配以與電漿有良好電耦合的同軸型或波導型傳輸線便構成噪聲源。根據氣體放電理論算得的電子溫度，就是噪聲源的輸出噪聲溫度，通常在10000～18000K之間,取決於所充氣體的性質、氣壓、管徑、傳輸線的耦合狀況、工作狀態和環境溫度等因素，須經校準後方能使用。這種噪聲源的頻率為幾十兆赫到幾十吉赫,具有平坦的譜特性,其輸出電平通常用超噪比(ENR)表示,即噪聲溫度超過標準室溫T0(290K)的倍數,ENR(分貝)＝10lg【Te/T0-1】。氬管的超噪比約為15.5分貝，氖管約為18分貝。
② 飽和二極體噪聲源：它是鎢陰極的真空二極體，工作在限溫區，即陰極發射的全部電子都到達板極。電子發射的隨機性（散彈效應）引起散彈噪聲，故調節板極電流I即可使輸出電平從290K調變到20000K,它受管子尺寸和環境等因素的影響，因此須經校準後方能使用。這種噪聲源能工作於幾千赫到幾吉赫，其輸出電平也用超噪比表示，為0～20分貝。
③ 固體噪聲源：它是工作在PN結擊穿崩潰區的雪崩二極體，利用其載電粒子的隨機性產生高達105K的輸出噪聲電平。為了改善輸出阻抗特性，用10分貝衰減器衰減後輸出10000K噪聲電平。它受製作工藝、工作狀態和環境等的影響，須校準後方能套用。這種噪聲源能工作於整個無線電頻段，有平坦的譜特性，具有輕巧、省電、簡便等優點，已廣泛套用於噪聲測量。
④ 電阻性負載噪聲源：由一個電阻性匹配負載和一段傳輸線構成，根據奈奎斯特定理，它產生噪聲功率P=kTB。由於負載電阻和傳輸線材料的限制,它的溫度不能過高，由幾K到1000K量級，適用於低噪聲值測量。當負載溫度高於、等於或低於室溫時，負載分別為熱負載、室溫負載或冷負載，可用作標準噪聲源。電阻性負載噪聲源能工作於整個無線電頻段，具有平坦的噪聲譜特性。其輸出電平常用噪聲溫度T表示，液氦型為4.2K,液氮型為78K，室溫負載為300K，沸點型為373K,其他熱負載為400K～1200K。
噪聲標準和校準系統 噪聲標準是輸出電平準確已知的標準噪聲源，通常由電阻負載、傳輸線和加熱電阻爐或致冷杜瓦瓶構成。它完全遵循奈奎斯特定理工作,輸出噪聲功率P＝kTB,經過準確測溫並嚴格計算傳輸線產生的影響,即可精確推知其輸出噪聲電平。1000K左右的熱標準精確度可達4K,78K的液氮冷標準精確度可達0.3K，而4.2K的液氦冷標準精確度可達0.05K。
校準系統是用來精確比較二個噪聲源間電平差值的測量系統，與噪聲標準源配套構成噪聲標準裝置。校準系統實際上是一個高靈敏度、高精度的測試接收機，常稱作輻射計。常用的型式有全功率接收式輻射計、狄克輻射計及其改進型（零平衡指示式）、附加噪聲注入式輻射計和相關接收式輻射計等。輻射計標準系統中，讀取噪聲電平差值的精密衰減器是確定系統精確度的關鍵部件。輸出超噪比為15.5分貝的氣體放電噪聲源的校準精度可達0.03分貝；液氮致冷的780K冷負載噪聲源的校準精度為0.06K。
