在信號處理系統中,我們經常會聽到噪聲溫度這個概念,而且噪聲溫度的量綱也是K(凱氏溫度), 那噪聲溫度是什麼意思呢?為什麼會用溫度來衡量噪聲的大小?
K和℃的換算關係:
[℃] = [K] - 273.15
我們常說的絕對零度就是−273.15℃,即0K。
首先,要明確的一點是:噪聲溫度其實就是噪聲功率的一種表示方法,至於為什麼要用溫度來表示功率大小?直接用功率不好麼?
要解釋噪聲溫度,就要從噪聲說起。
根據噪聲產生的機理,大致可以分為五大類:熱噪聲(Thermal Noise),散粒噪聲(Shot Noise),閃爍噪聲(Flicker Noise),等離子體噪聲(Plasma Noise),量子噪聲(Quantum Noise)。
熱噪聲是最基本的一種噪聲,可以說是無處不在的。熱噪聲又稱為Johanson或Nyquist噪聲,是由電子的熱運動產生的。在絕對零度(0 K)以上,就會存在自由電子的熱運動。因此,現實中的所有器件,都會產生熱噪聲。熱噪聲的功率譜密度不隨頻率變化,稱為白噪聲,又因服從Gauss概率密度分布,所以又稱為高斯白噪聲。
將一個電阻置於溫度為T (開爾文溫度)的環境中,電阻中的自由電子隨機運動,動能與溫度T成正比。電子的隨機運動會產生小的隨機電壓波動,此時電阻相當於一個噪聲源。隨機電壓的有效值為
其中,
h--普朗克常數,用以描述量子大小, h=6.62607015×10-34 J·s
k---玻爾茲曼常數,是有關於溫度及能量的一個物理常數,k=1.38064852x10^-23 J/K
T--開爾文溫度
B--系統帶寬
f--系統中心頻率
R--電阻阻值
該公式在RF頻段,可以根據Rayleigh-Jeans(瑞利-瓊斯)進行近似,由於hf << kT,因此:
可以看出,噪聲電壓有效值與頻率無關,當系統帶寬確定後,噪聲電壓有效值是個常數,功率也是一個跟頻率無關的常數,因此它是一種白噪聲。
將電阻等效為一個噪聲源,在其共軛匹配電路中,輸出的噪聲功率最大,為:
從公式可以看出,電阻輸出的最大噪聲功率只與當前溫度及系統帶寬有關,且呈線性關係,與電阻值無關。
電阻是一種無源器件,因此可以只考慮它的熱噪聲,但有源器件的噪聲就相對複雜,為了分析的方便,我們把所有噪聲都等效為熱噪聲:
共軛匹配時,器件輸出的最大噪聲功率為:
其中,Te為器件的等效噪聲溫度,B為器件的有效帶寬。
通過這種表示方式,有源器件的白噪聲就可以用噪聲溫度為某個值的電阻的噪聲來描述了,更方便整個系統的分析,而且一般天線的噪聲功率都比較低,用噪聲溫度來表示數值更加直觀,比如衛星對地接收天線可能是幾百K的量級,換算成功率的話數值就太小了,看起來不是很直接。
講到這裡,就得提一個關鍵的數字:-174dBm/Hz。什麼意思呢?
在溫度為290K,即16.85℃時,此時噪聲的功率譜密度為:
對該值取個db
因此,-174dBm/Hz是噪聲的功率譜密度,當帶寬為1Hz時,噪聲功率為-174dBm,但噪聲功率並不是噪底,因此很多人說-174dBm就是噪底這種說法其實是有問題的。