噪声的基本知识.pptxVIP

光电信号处理;1.2 噪声的基本知识 ;1.2.1 噪声的基本概念;●广义噪声的定义： 任何叠加在信号上的不希望的随机扰动或干扰统称为噪声。 ●这些干扰及扰动主要来自两方面： (1)来自光电系统的外部 (2)来自光电系统内部;来自光电系统外部的噪声——干扰;来自光电系统内部——噪声;●系统内部的噪声：;●噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。 ●一个光电探测系统的极限探测能力往往由探测系统的噪声所限制。 在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题， 是提高光电系统性能指标的关键。 ;1.2.2 光电探测器的噪声;1．热噪声;● AB两极间的电阻为R，在绝对温度T的平衡态下， 内部的电 子处于不断的热运动中， 无序 的电子运动。 ●如果从一个想象的截面S去看，任何一瞬间有些电子 从左向右穿越S面，有些电子从右向左穿越S面。; ●但是考虑流过S面的电子数的均方偏差，则不为零。 这样在AB两端就应出现一电压涨落。 这一电压涨落1928年为琼斯(Johnson)的实验所证实。同时奈奎斯特推导出热噪声功率为： 式中：R为电阻或阻抗元件的实部（单位为欧姆）； K为玻耳兹曼常数：1.38×10-23 J / K； T为导体的绝对温度（K）； 为测量带宽。 如用噪声电流表示则为: ;●例如：若一个1KΩ的电阻，在1Hz带宽内，室温T=290K，则可求得均方根热噪声电压为4nV。;●热噪声属于白噪声频谱， 一般说来，高端极限额率为： ＝0．15kT×1034Hz=2.07T×1010Hz 由上式可知， 与电阻的温度T有关。 在室温下(T＝290k)， ＝6×1012Hz， 一般电子学系统工作频率远低于该值， 故可认为热噪声为白噪声频谱。 ;●研究信号时，通常在频率域中（简称频域）进行研究，定义功率谱密度 ： ● S（ f ）的物理意义代表了单位带宽内的噪声电压的均方值，也就是单位带宽内的噪声，通常称为功率谱密度。 对热噪声：S(f )=4KTR 与频率无关，为白噪声。 ●白噪声的定义： 噪声在整个频带内均匀分布的噪声;●电阻器的热噪声等效模型 ： 一个实际的电阻R产生的热噪声电压， 可以用一个噪声电压源En和一个无噪声电阻R相串联的二端网络来表示； 或者用一个噪声电流源In与一个无噪声电阻R相并联的二端网络来表示。;例如：室温条件下R＝1kΩ的电阻，在带宽1Hz内的均方根热噪声电压值约为4nV； 若工作带宽为500kHz的系统，放大器增益为103，则在放大器输出端的热噪声均方根电压约2.8mV。 在微弱信号探测中，这对于信号来讲是一个不可忽视的量。;●所有的探测器都有热噪声，如何减小热噪声 的影响是光电探测系统的一个重要问题。 ●降低探测器的工作温度T 在低温工作的探测器其热噪声将大大减小， 特别是一些响应于远红外波段的探测器， 为了降低热噪声，将探测器置于液氦(4K)、 液氮(77K)的深冷状态。 ●在信号不失真的条件下，压缩工作频带。 ;2．散粒噪声;●从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为： 式中e为电子电荷， Δ f 为探测器工作带宽。 如果I是探测器的暗电流Id，则探测器在无光照时的暗电流噪声功率为： ●对于由光场作用的光辐射散粒噪声 也可直接写为： IP为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。;●散粒噪声也是白噪声，与频率无关， 但是它与热噪声的根源不同， 热噪声起源于热平衡条件下大量电子的无规则热运动，因而依赖于kT， 而散粒噪声直接起源于电子的粒子性， 因而与e直接有关。;3．产生—复合噪声;经理论推导g—r噪声的表达式为： 式中：e为电子电荷， 为平均电流， Δ f 为探测器的工作带宽， 为光电导探测器的内增益， 是载流子平均寿命τ0和渡越时间τd的比值。 ;4．温度噪声;●理论推导，热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为： 式中：G为探测器的热导， k为玻尔兹曼常量， T为探测器工作温度， Δ f 为探测器的工作带宽。 由上式可见，温度噪声功率与热导成正比，与探测器工作温度的平方成正比。 ;5．电流噪声—— 1/ f 噪声;●电流噪声主要出现在lkHz以下的低频区。 工作频率大于1kHz后，