芯耀
199
所有电子设备和射频（RF）系统里，都多多少少存在电噪声和射频噪声。这些噪声会影响系统工作，还会限制很多系统的性能发挥。
电噪声和射频噪声有好几种类型，产生的方式也不一样，都会对电子电路、射频电路以及相关的系统造成干扰。下面这张图，就是示波器上显示的噪声波形样子。
一、射频噪声的基本概念
尽管噪声有多种类型，但所有噪声都具备一些共同特征，且有多种描述方式。
噪声的核心定义就是“随机性”，它以不同形式分布在整个频谱中，只是不同频率下的幅度未必相同。因此，根据频率分布特点，噪声可分为以下几类：
1、白噪声（White noise）
白噪声对所有频率的影响是均等的，从0频率开始就以平坦的幅度分布。
它之所以叫“白噪声”，是因为白光包含了所有颜色（对应所有频率），而白噪声也包含了所有关注频段的频率，且各频段强度一致。
上图中黑色部分为白噪声，粉色部分为分红噪声。
2、粉红噪声
粉红噪声的频率响应并非平坦——它在不同频段的强度分布不均。
其功率密度会随频率升高而降低，命名源于红光位于光谱的低频端（功率密度偏向低频），粉红噪声的功率密度同样偏向低频段。
3、带限噪声
噪声的频段可被滤波器或其传播所经过的电路限制，仅在特定频率范围内存在。
二、电子/射频噪声的影响
噪声会对系统产生多种影响，其中幅度噪声（即由噪声引发的幅度波动）可能会掩盖有用信号，或导致数据出错、比特误码率升高。
为实现最佳性能，信号显然应尽可能不受噪声干扰，但在多数实际场景中，需要找到一个最优平衡点——在可接受的数据误码率或信噪比与所需成本之间进行权衡，下图是白噪声的频谱。
三、射频/电子噪声的类型
电子或射频噪声可通过多种不同机制产生，因此可根据其生成方式进行分类——这有助于理解噪声的来源及最小化干扰的方法：
1、雪崩噪声
这种现象发生在半导体结中：高电压梯度下的载流子会获得足够能量，通过物理碰撞释放出更多载流子。
该过程产生的电流并不稳定，因为它由高能电子撞击晶格、产生更多空穴-电子对决定，因此这是一个噪声极强的过程。
不过这一机制也可被正向利用，用于制造噪声发生器——这种设备可应用于多种射频及其他测量场景。
2、闪烁噪声（Flicker Noise），1/f噪声
这类噪声几乎存在于所有电子器件中，其产生原因多样，但均与直流电流的流动相关。
闪烁噪声的频谱会随频率升高而稳步衰减。由于其功率密度随频率升高或与信号的偏移量增大而降低，遵循1/f特性（即具有粉红噪声的频谱特征），因此也被称为1/f噪声。
闪烁噪声/1/f噪声对电子领域的多个应用场景都很重要，尤其在用作射频源的振荡器中——射频振荡器的整体噪声性能至关重要，而闪烁噪声是其中的关键影响因素之一。
（1）闪烁噪声的基本概念
闪烁噪声几乎存在于所有电子元件中（日常生活中许多物理现象，如地球自转、海底洋流等，也会产生此类噪声）。
闪烁噪声常被提及于半导体器件相关场景，例如晶体管，尤其是MOSFET。
它会以多种形式呈现，常见表现为电阻值的波动。
闪烁噪声可表示为以下形式：
（2）振荡器中的闪烁噪声
闪烁噪声与频率成反比（即遵循1/f特性），在射频振荡器等诸多应用中，存在闪烁噪声（1/f噪声）占主导的频段，也存在散粒噪声、热噪声等白噪声占主导的频段。
在振荡器内部，闪烁噪声会表现为靠近载波的边带；而其他类型的噪声则以更平坦的频谱从载波向两侧延伸，且随着与载波偏移量的增大，噪声强度逐渐衰减。
（3）振荡器中的噪声转折频率与器件差异
因此，不同噪声占主导的频段之间存在一个转折频率（fc）。
对于振荡器这类系统，通常在闪烁噪声占主导的频段之外，主要表现为相位噪声。相位噪声会随与载波偏移量的增大而衰减，直至平坦的白噪声占据主导。
MOSFET的转折频率（fc）更高，可达GHz量级；而JFET或双极型晶体管的转折频率通常较低，后者一般在2kHz以下。
闪烁噪声（1/f噪声）是一种重要的噪声形式，尤其在设计射频振荡器时需重点关注。它往往容易被忽略，但通过选择合适的器件，可将其影响降至最低。
3、相位噪声（Phase Noise）
相位噪声是许多振荡器和信号源的关键参数，它决定了设备整体性能的多个方面。
相位噪声也可被理解为相位抖动，二者是描述同一参数的两种方式：相位噪声从信号频谱（即频域）角度分析，而相位抖动关注信号的相位变化情况。
本振或其他信号上的相位噪声会影响无线电系统，具体表现为干扰互调混频、缩小相移键控（PSK）和正交振幅调制（QAM）星座图上各点的间距等。
由于相位噪声会影响无线电通信系统多个方面的性能，因此它成为许多技术规格中的关键参数。
（1）信号源中的相位噪声
相位噪声指由信号随机相位变化引发的相位抖动所产生的噪声频谱。这种噪声源于电路中的通用噪声，最终表现为相位抖动。由于相位与频率密不可分，相位噪声也可体现为随机的频率变化。
信号源的噪声可从多个角度考量，其抖动和变化会在不同时间尺度上发生。因此，信号源的稳定性主要分为两类：
- 长期稳定性
信号的长期稳定性关注信号在较长时间内（通常为小时、天甚至更久）的变化情况，涉及长期漂移等问题。
它的指标通常以特定时间段内的频率变化（如百万分之几）来表示。
- 短期稳定性
信号源的短期稳定性聚焦于短时间内（通常不足一秒）的变化，这些变化可能是完全随机的，也可能是周期性的。
周期性变化可能是所谓的杂散信号，而随机变化则表现为噪声。
（2）相位噪声与幅度噪声的区别
相位噪声可通过多种方式引入电路，尤其是在使用频率合成器时。但对于振荡器而言，相位噪声的来源是“热噪声”和“闪烁噪声（1/f噪声）”。
大多数振荡器工作在饱和状态，这会限制噪声的幅度分量——其幅度通常比相位噪声分量低约20dB。这意味着相位噪声占主导地位，因此幅度噪声常被忽略。
这一假设适用于大多数应用场景，但幅度分量不应被完全遗忘，部分特定应用中仍需考量。
（3）相位噪声的基本概念
相位噪声是由相位抖动导致的、在信号两侧扩散的噪声频谱。
它对射频设计师尤为重要：相位抖动会表现为相位噪声，在主有用载波的两侧扩散，且多数情况下，随着与载波偏移量的增大，其强度会逐渐降低。
与相位噪声相关的术语有很多，理解这些定义是掌握相位噪声概念的关键：
- 相位抖动
用于描述相位波动本身，即任意时刻相位位置相对于理想纯信号相位位置的偏差，单位为弧度。
- 频谱
指频谱分析仪测得的图形，显示中心的有用信号，以及在主载波两侧延伸的噪声边带。
- 谱密度
描述均方根（RMS）相位的连续分布函数，单位为给定带宽下的均方根相位。
- 单边带相位噪声
指从载波向一侧扩散的边带噪声，指标通常以载波特定频率偏移处的dBc/Hz表示。
（4）频率合成器中的相位噪声及通信系统中的重要性
鉴于频率合成器的工作原理，其相位噪声频谱在环路带宽内会有所变化，但最终会随着与载波偏移量的增大而减弱。
相位噪声（或相位抖动）至关重要，因为它会降低信号质量，进而提高通信链路的误码率。
实际应用中，寄生相位调制在技术层面比幅度调制更为关键。一方面，如今大多数无线电链路采用角度调制，而角度调制更容易受相位噪声影响；另一方面，在复杂信号源中，幅度噪声的强度远低于相位噪声。
4、散粒噪声（Shot Noise）
散粒噪声是由电流的时间依赖性波动产生的一种噪声，其成因是电子电荷的离散特性。
这种噪声在半导体器件中尤为显著，例如隧道结、肖特基势垒二极管和PN结等器件。
理解散粒噪声的关键在于，它在电流水平较低时尤为明显。这是因为电流流动的统计特性与电荷的离散性在低电流场景下更容易显现。
这种噪声在半导体器件中表现突出，例如隧道结、肖特基势垒二极管和PN结等。
（1）散粒噪声的发现
对散粒噪声的首次认知由德国物理学家瓦尔特·肖特基提出。他在电子与离子发射理论的发展中发挥了重要作用。
肖特基在研究真空管（热离子管）时发现，即便消除了所有外部噪声源，仍会残留两种噪声。其中一种由温度导致，即如今所说的热噪声；另一种便是散粒噪声。
（2）散粒噪声的基本概念
散粒噪声的产生源于电流由大量离散电荷构成，而非完全的模拟现象。
这些离散电荷形成的脉冲持续流动，产生的噪声接近白噪声。其存在一个截止频率，该频率由电子或其他载流子穿过导体的时间决定。
与热噪声不同，散粒噪声依赖于流动的电流大小，与系统的工作温度无关。
散粒噪声在PN隧道结等器件中更为显著，这类器件中电子的传输是随机且相互独立的。
对于金属电阻，散粒噪声几乎不存在——因为非弹性电子-声子散射会平滑由电子离散性导致的电流波动，仅留下热噪声。
不过近年来的研究发现，金属电阻中仍存在极微弱的散粒噪声。
在设计射频或音频应用的低噪声放大器时，了解散粒噪声的存在至关重要，这样才能在设计中尽可能将其影响降至最低。
5、热噪声
热噪声又称约翰逊噪声或约翰逊-奈奎斯特噪声，由导体中载流子（通常是电子）的热骚动产生。
载流子的热骚动会随温度升高而加剧，热噪声的强度也会随之增大。
这种噪声是低噪声放大器等设备面临的主要噪声类型之一。为降低其影响，超高性能放大器（例如射电天文学所用放大器）会工作在极低温度环境下。噪声温度等指标常被用于衡量热噪声的强度。
无论使用何种质量的元件，热噪声都会存在，其水平仅取决于温度和电阻值。
因此，降低热噪声的唯一方法是降低工作温度，或减小电路中的电阻值。
电路中可能还存在其他类型的噪声，不同噪声会叠加影响整体噪声水平，因此电阻类型的选择也会对最终噪声水平产生影响。
此外，仅阻抗的实部（即电阻）会产生热噪声，虚部不会产生噪声。
以下为不同常见带宽及对应应用场景的热噪声基底计算表：
尽管影响电子电路的噪声类型繁多，但热噪声往往是许多系统中的主要噪声源，因此相关设计会着重优化以降低其影响。
牢记热噪声对各类系统的影响十分重要，这可作为判断哪些电路和系统需要通过优化来降噪的指导原则。
- 音频系统
所有音频放大器和音频系统中都存在背景“嘶嘶声”，这种噪声在音乐音量较低时尤为恼人。
因此，噪声水平是音频系统设计中的关键因素，电路设计师会竭力降低噪声，以提升聆听体验。
- 无线电接收机
热噪声是许多无线电接收机系统面临的主要问题，它会限制接收机的灵敏度。
接收机灵敏度通常以信噪比为衡量标准，热噪声可能掩盖信号，导致信号无法识别甚至完全不可察觉，因此降低热噪声至关重要。
- 数据系统
若热噪声水平较高，可能导致数据系统出现数据错误，尤其在利用模拟信号触发数字电平的场景中。
模拟信号上的少量噪声可能引发输出端多次跳变，除非使用施密特触发器等电路进行防抖处理。
- 测量系统
许多测量系统需要检测极低幅度的信号，此时即使是热噪声这类微弱噪声，也可能导致测量偏差和不准确。
热噪声在众多电路中都具有重要影响，理解热噪声的产生机制，有助于将其影响降至最低。
以上便是射频系统中常见噪声及其特点总结，希望对大家有所帮助。
