噪聲有“溫度”嗎？答案有些意外
關(guān)鍵詞：噪聲, 溫度, 噪聲因子,噪聲系數(shù), 射頻, 無線, 器件
“噪聲因子”和“噪聲系數(shù)”的概念相當直觀：是指輸入信號傳到輸出端的過程中，某個器件（如放大器）添加到輸入信號的噪聲，或者是無源器件內(nèi)部的熱運動所產(chǎn)生的噪聲。
這種內(nèi)部產(chǎn)生的不可避免噪聲有許多來源，包括熵、器件和材料的物理現(xiàn)象、電子的隨機運動以及各種缺陷，這些來源可以證明噪聲產(chǎn)生的一些原因。
噪聲因子和噪聲系數(shù)
噪聲因子(F) 的量化定義很簡單：它是輸入信噪比 (SNR) 與輸出SNR 的比值：
噪聲因子(F) = (輸入信號/輸入噪聲)/(輸出信號/輸出噪聲)
即使是諸如電阻器等無源非增益器件，也具有噪聲因子，其定義為通過實際電阻產(chǎn)生的噪聲與理想電阻的簡單熱噪聲的比值。為實現(xiàn)比較標準化，噪聲因子在290K的標準溫度下進行測量，選擇這一溫度值主要是依據(jù)哈拉爾·弗里斯 (Harald Friis) 于20世紀30年代在貝爾電話實驗室開展的開創(chuàng)性研究結(jié)果。比較所用的標準噪聲源具有KT噪聲級，其中K是指玻爾茲曼常數(shù) (1.38 × 10-23J/K)。
那么，如何得到噪聲系數(shù)(NF) 呢？
其實關(guān)系很簡單：NF(單位：dB) = 10 × log (F)。
為什么既有噪聲因子(F)，又有噪聲系數(shù)(NF)呢？這取決于所進行的信號路徑分析類型。對于某些類型的分析，F(xiàn)更有用，而對于另一些分析，NF可以簡化公式。
不過，隨后還會介紹一個“噪聲”參數(shù)：噪聲溫度。噪聲怎么會有溫度呢？為什么要將噪聲與溫度聯(lián)系起來呢？
不一樣的“噪聲溫度”
原因如下：噪聲溫度是表征噪聲幅度和相關(guān)信噪比變化的另一種方法。噪聲溫度用于射頻鏈路，特別是那些與射電天文學相關(guān)的鏈路、面向太空的鏈路以及其他非地面系統(tǒng)。
首先從噪聲溫度(NT) 的定義入手：
NT=290 × (F-1) [“290”是指上文提到的標準參考溫度]
介紹到這里，噪聲溫度似乎只是量化噪聲的另一種方式，但其實它還有更多作用。噪聲溫度是一個理論上的“抽象”指標，其給出的等效溫度可以產(chǎn)生所見的同等大小的噪聲功率。請記住，這種等效噪聲溫度（通常用TEQ表示），并不代表您用溫度計測量放大器所得出的實際溫度。
那么，為什么還要使用噪聲溫度和TEQ呢？同樣，對于某些類型的分析，噪聲溫度可以簡化信號鏈的評估以及相關(guān)公式，并且還可以提供一個非常有用的指標，用于定義不太有形的來源的噪聲，如彌漫在天空中的噪聲（是的，天空也是一種噪聲源）。
在無線鏈路中，等效輸入噪聲溫度TEQ等于兩個噪聲溫度之和：天線輸出端的噪聲溫度 TANT和接收器電路的系統(tǒng)噪聲溫度TSYS：
TEQ= TANT + TSYS
您可線性添加各個階段的噪聲溫度，以表征信號鏈中任何點的噪聲（圖1）。
圖1：以天線或其他來源的等效噪聲溫度為起點，累加各階段的噪聲溫度可確定系統(tǒng)中各點的噪聲。（圖片來源：新澤西理工學院）
在數(shù)百兆赫 (MHz) 和數(shù)十吉赫 (GHz)頻率下工作的無線電、雷達和以空間為中心的射頻系統(tǒng)中，由于可以很容易地過濾和衰減低頻噪聲，因此低頻噪聲不是問題。相反，噪聲的主要來源是背景輻射噪聲以及內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲。因此，任何分析都必須包含這兩項噪聲源。如果天線指向天空，則噪聲源的等效輸入噪聲溫度(TEQ) 取決于太陽的相對位置及其各種周期（請參見JPL/NASA論文 "Solar Brightness Temperature and Corresponding Antenna Noise Temperature at Microwave Frequencies"）。
噪聲溫度的用途
阿諾·彭齊亞斯 (Arno Penzias) 和羅伯特·威爾遜 (Robert Wilson) 通過研究這種“天空噪聲”發(fā)現(xiàn)了“宇宙微波背景輻射”(CMBR) 及其明顯意義（并因這一發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎）；（請參見“宇宙微波背景”）。他們的接收器是一個巨大的喇叭天線，而無論天線方向為何，接收器記錄到的天線溫度均超過4.2K，這一溫度幾乎均勻地彌漫在太空中（圖2）。雖然他們無法通過任何電路和系統(tǒng)噪聲分析來解釋這一現(xiàn)象，但最終通過分析證明，這一現(xiàn)象很可能是代表“大爆炸”遺留下來的熱量殘余物，是黑體輻射這一著名物理現(xiàn)象的體現(xiàn)。
圖2：2013年歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星拍攝到的宇宙微波背景輻射圖，該圖顯示了天空中的微小變化。（圖片來源：ESA/Planck Collaboration，通過Space.com網(wǎng)站）
不過，切勿因噪聲溫度這種貌似抽象的用途而對其失去興趣，因為作為一種與噪聲相關(guān)的指標，等效噪聲溫度除了可以進行宇宙和太空相關(guān)的分析之外，其原理還具有實際的務實用途（不管從字面還是象征意義上講）。例如，天線噪聲溫度可以表示理想無噪聲接收器輸入端的假想電阻器的溫度，該接收器每單位帶寬產(chǎn)生的輸出噪聲功率與指定頻率下天線輸出端產(chǎn)生的噪聲功率相同。
當然，噪聲幾乎是所有系統(tǒng)（無論是有線系統(tǒng)還是無線系統(tǒng)）都面臨的主要問題和挑戰(zhàn)。此外，我們還有很多能夠而且應該討論的地方，例如帶寬及其對噪聲功率的影響等。噪聲因子、噪聲系數(shù)和噪聲溫度都是測量噪聲的有效方法，您可以輕松地將一個標度的讀數(shù)轉(zhuǎn)換為另一個。要使用“正確”的參數(shù)取決于所進行的分析以及所需答案的類型。
關(guān)于作者
Bill Schweber是一名電子工程師，撰寫了三本關(guān)于電子通信系統(tǒng)的教科書，以及數(shù)百篇技術(shù)文章、意見專欄和產(chǎn)品特性說明。他擔任過EETimes的多個特定主題網(wǎng)站的技術(shù)管理員，以及EDN的執(zhí)行編輯和模擬技術(shù)編輯。
在Analog Devices, Inc.（模擬和混合信號IC的領(lǐng)先供應商）工作期間，Bill從事營銷傳播（公共關(guān)系），對技術(shù)公關(guān)職能的兩個方面均很熟悉，即向媒體展示公司產(chǎn)品、業(yè)務事例并發(fā)布消息，同時接收此類信息。
擔任Analog營銷傳播職位之前，Bill 在該公司頗受推崇的技術(shù)期刊擔任副主編，并且還在公司的產(chǎn)品營銷和應用工程部門工作過。在此之前，Bill曾在Instron Corp. 工作，從事材料測試機器控制的實際模擬和電源電路設(shè)計及系統(tǒng)集成。
他擁有電氣工程碩士學位（馬薩諸塞州立大學）和電氣工程學士學位（哥倫比亞大學），是注冊專業(yè)工程師，并持有高級業(yè)余無線電許可證。Bill還規(guī)劃、撰寫并講授了關(guān)于各種工程主題的在線課程，包括MOSFET基礎(chǔ)知識、ADC選擇和驅(qū)動LED。
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