噪聲測量
噪聲通常指任意的隨機干擾。這種干擾損害所需信號的質(zhì)量并降低實際測量的可靠性。熱噪聲普遍存在于電子元件、器件、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)中，因此噪聲測量主要指電子元件和器件、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的熱噪聲和特性的測量。
熱噪聲又稱白噪聲或約翰遜噪聲，是由處在一定溫度下的各種物質(zhì)內(nèi)部微粒作無規(guī)律的隨機熱運動而產(chǎn)生的，常用統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法進行研究。其概率分布為正態(tài)分布，在整個無線電頻段內(nèi)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(dǎo)體器件中的隨機噪聲、等離子體產(chǎn)生的起伏噪聲等也具有隨機性質(zhì)，因此也可用類似方法進行分析。普遍存在于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(wěn)定度測量)。
1928年H.奈奎斯特根據(jù)熱力學(xué)*二定律推導(dǎo)出電阻器R產(chǎn)生的資用噪聲功率P＝kTB,式中k為玻耳茲曼常數(shù)；T為電阻器**溫度(K)；R電阻值(歐)；B為測量系統(tǒng)的帶寬（赫）。這就是奈奎斯特定理，它與約翰遜在實驗中發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象相符。
通常用噪聲系數(shù)F 或等效輸入噪聲溫度Te來表征線性網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性。當(dāng)輸入和輸出信號為單一頻率時,兩者具有簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系Te=290(F-1)。在特定輸入頻率，噪聲系數(shù)為以下兩個噪聲功率之比：一個是網(wǎng)絡(luò)輸出端的單位帶寬總噪聲功率（包括處于標(biāo)準溫度290K的輸入端和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部元件產(chǎn)生的噪聲功率之和）；另一個是假定網(wǎng)絡(luò)沒有噪聲，而只有處于標(biāo)準溫度290K的輸入端所產(chǎn)生的噪聲時網(wǎng)絡(luò)輸出端的單位帶寬噪聲功率。噪聲系數(shù)的定義也可以是網(wǎng)絡(luò)輸入端信噪比與輸出端信噪比之比。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲的影響，使輸出端信噪比變壞，噪聲系數(shù)表示信噪比變壞的量度，其值越大表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲越大。平均噪聲系數(shù) 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(dāng)這一噪聲溫度接在等效無噪聲網(wǎng)絡(luò)的輸入端時所引起的輸出噪聲功率，等于噪聲溫度不接入時，這一有噪聲網(wǎng)絡(luò)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。噪聲系數(shù)的定義自從40年代初提出后，1953年被確定為無線電工程師協(xié)會(IRE)標(biāo)準,已得到廣泛應(yīng)用；而噪聲溫度的概念更多用于近代低噪聲系統(tǒng)和器件。
較常用的是噪聲源法，也稱為Y 系數(shù)法（見圖）。若噪聲源分別輸出準確已知的溫度T1和T2，設(shè) Te為被測件的等效輸入噪聲溫度；G為全系統(tǒng)的增益；B為帶寬；Y為接入T1時的輸出P1與接入T2時的相應(yīng)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)和噪聲系數(shù)F=Te/290+1。標(biāo)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(tài)，也可取自飽和二極管噪聲源的兩種不同燈絲電壓工作狀態(tài)，或固態(tài)噪聲源的激勵和不激勵兩種工作狀態(tài)，也可以取自處于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(dāng)輸入不同噪聲信號電平時，調(diào)節(jié)衰減器使輸出指示保持恒定，衰減器的變動量就是Y值。
輸出任何形式噪聲信號以供測量使用的發(fā)生器。較常用的有氣體放電管噪聲源、飽和二極管噪聲源、固體噪聲源和電阻性負載噪聲源。
①氣體放電管噪聲源：在氣體放電時形成的等離子體中，帶電粒子的隨機熱運動會產(chǎn)生噪聲。充有惰性氣體氬或氖的充氣管（和熒光燈很相似），配以與等離子體有良好電耦合的同軸型或波導(dǎo)型傳輸線便構(gòu)成噪聲源。根據(jù)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,取決于所充氣體的性質(zhì)、氣壓、管徑、傳輸線的耦合狀況、工作狀態(tài)和環(huán)境溫度等因素，須經(jīng)校準后方能使用。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**噪比(ENR)表示,即噪聲溫度**過標(biāo)準室溫T0(290K)的倍數(shù),ENR(分貝)＝10lg【Te/T0-1】。氬管的**噪比約為15.5分貝，氖管約為18分貝。
②飽和二極管噪聲源：它是鎢陰極的真空二極管，工作在限溫區(qū)，即陰極發(fā)射的全部電子都到達板較。電子發(fā)射的隨機性（散彈效應(yīng)）引起散彈噪聲，故調(diào)節(jié)板較電流I即可使輸出電平從290K調(diào)變到20000K,它受管子尺寸和環(huán)境等因素的影響，因此須經(jīng)校準后方能使用。這種噪聲源能工作于幾千赫到幾吉赫，其輸出電平也用**噪比表示，為0～20分貝。
③固體噪聲源：它是工作在PN結(jié)擊穿崩潰區(qū)的雪崩二極管，利用其載電粒子的隨機性產(chǎn)生高達105K的輸出噪聲電平。為了改善輸出阻抗特性，用10分貝衰減器衰減后輸出10000K噪聲電平。它受制作工藝、工作狀態(tài)和環(huán)境等的影響，須校準后方能應(yīng)用。這種噪聲源能工作于整個無線電頻段，有平坦的譜特性，具有輕巧、省電、簡便等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于噪聲測量。
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(gòu)成，根據(jù)奈奎斯特定理，它產(chǎn)生噪聲功率P=kTB。由于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，適用于低噪聲值測量。當(dāng)負載溫度高于、等于或低于室溫時，負載分別為熱負載、室溫負載或冷負載，可用作標(biāo)準噪聲源。電阻性負載噪聲源能工作于整個無線電頻段，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(biāo)準是輸出電平準確已知的標(biāo)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(gòu)成。它完全遵循奈奎斯特定理工作,輸出噪聲功率P＝kTB,經(jīng)過準確測溫并嚴格計算傳輸線產(chǎn)生的影響,即可精確推知其輸出噪聲電平。1000K左右的熱標(biāo)準精確度可達4K,78K的液氮冷標(biāo)準精確度可達0.3K，而4.2K的液氦冷標(biāo)準精確度可達0.05K。
校準系統(tǒng)是用來精確比較二個噪聲源間電平差值的測量系統(tǒng)，與噪聲標(biāo)準源配套構(gòu)成噪聲標(biāo)準裝置。校準系統(tǒng)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(guān)接收式輻射計等。輻射計標(biāo)準系統(tǒng)中，讀取噪聲電平差值的精密衰減器是確定系統(tǒng)精確度的關(guān)鍵部件。輸出**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。