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热噪声

热噪声(thermal noise)通信设备中无源器件如电阻、馈线由于电子布朗运动而引起的噪声。又称电阻噪声。

热噪声亦称白噪声,是由导体中电子的热震动引起的,它存在于所有电子器件传输介质中。它是温度变化的结果,但不受频率变化的影响。热噪声是在所有频谱中以相同的形态分布,它是不能够消除的,由此对通信系统性能构成了上限。

热噪声或称约翰逊噪声(Johnson noise)。噪声的一种。当光电倍增管施加负高压,而无光投射光电阴极时,由于光电极极与倍增极的电子热发射和玻璃外壳与管座的漏电,导致热电子由倍增极放大,所引起的暗电流的波动。在记录仪器上则出现噪声。

1928年,J.B.约翰逊(J.B.Johnson)利用音频检测出电路中的起伏现象,并证明它和有源器件的散粒噪声不同,是电路中的无源器件由于类似分子布朗运动的电子热骚动而产生的起伏,所以又称为约翰逊噪声。后来,人们进一步证明,任何一种无源器件,其导体中的电子始终在作随机运动,并与分子一起处于热平衡状态,由于电子以一定的速度运动且其均方值正比于绝对温度,而一个电子与分子撞击就会产生一个瞬间的小电流脉冲,这种作随机运动的电子数目和撞击次数相当多且相互独立,并遵从高斯(正态)分布。从宏观上看,在无源器件导体的两端有电的性能表现,由于电流小,脉冲方向是随机的,故其平均值为零(平均电流为零),然而电子的这种随机运动将会产生一个交流分量,形成热噪声。从频域上看,热噪声在整个频段具有均匀的功率谱密度,即类似于白色光谱,所以它是高斯分布的白噪声中的一种主要类型。

在通信中,电阻热噪声有两种表示方法,一种是采用并联等效电路,另一种是采用串联等效电路,如图1所示。并联等效电路是由一个无噪声电导G和一个功率 谱密度为2kTG的噪声电流源in(t)并联,串联等效电路则由一个无噪声电阻R和一个噪声电压源un(t)串联。两者间可用戴维南等效电源定理转换。

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