什么是熱噪聲？

熱噪聲是由于導(dǎo)體中自由電子的熱運動而產(chǎn)生的隨機電壓或電流波動，是一種固有噪聲，存在于所有具有電阻的元件中，無論元件是否處于工作狀態(tài)。熱噪聲最早是約翰遜（John B. Johnson）和奈奎斯特（Harry Nyquist）發(fā)現(xiàn)的，因此也叫約翰遜 - 奈奎斯特噪聲。

熱噪聲是隨機的，在很寬的頻帶上是均勻分布的，即在所有頻率上都具有相同的噪聲功率密度，因此被稱為“白噪聲”。熱噪聲的功率與絕對溫度成正比，與電阻值成正比，與帶寬成正比。熱噪聲的產(chǎn)生與溫度密切相關(guān)，溫度越高，電子的熱運動越劇烈，熱噪聲也越強。

熱噪聲的功率譜密度可以用以下公式計算：

P是噪聲功率，單位是Watt；k是玻爾茲曼常數(shù)，1.38*10（-23）J/K；T是絕對溫度，單位是開爾文，K；B是帶寬，單位是Hz。在室溫T（T0=290K）情況下，其噪聲功率可以表示為：

簡化后可得：

轉(zhuǎn)化為我們常用的dBm/Hz的格式就是：

所以室溫T=290K的熱噪聲功率譜密度就是-173.92dBm/Hz，通常記作-174dBm/Hz。熱噪聲不能被消除，但是并不意味著熱噪聲不能被改善？在射頻設(shè)計中，通?？梢钥梢酝ㄟ^以下方法來降低其對系統(tǒng)性能的影響：

1，最簡單的方法就是降低溫度

熱噪聲的功率與絕對溫度成正比，因此降低器件的工作溫度可以有效減少熱噪聲。例如，將器件放置在低溫環(huán)境中，或者使用制冷設(shè)備（如制冷片、液氮制冷等）來降低其溫度。通常在高精度的測量儀器（如射電望遠(yuǎn)鏡、量子傳感器等）和低噪聲放大器（LNA）中，通常會采用低溫技術(shù)來降低熱噪聲，從而提高系統(tǒng)的信噪比。

2，還可以優(yōu)化電路設(shè)計

在設(shè)計電路時，盡量選擇低噪聲的電阻、電容、電感等元件。例如，使用金屬膜電阻代替碳膜電阻，因為金屬膜電阻的熱噪聲更低。熱噪聲的功率與帶寬成正比，因此通過減少電路的帶寬可以降低熱噪聲的影響。例如，在濾波器設(shè)計中，使用窄帶濾波器可以有效濾除帶寬之外的噪聲。差分信號可以有效抑制共模噪聲，包括熱噪聲。通過使用差分放大器，可以提高系統(tǒng)的抗噪聲能力。

3， 使用低噪聲放大器（LNA）

低噪聲放大器（LNA）是一種專門設(shè)計用于放大微弱信號的放大器，其噪聲系數(shù)非常低。通過在信號鏈的前端使用LNA，可以有效放大信號，同時盡量減少噪聲的引入。在無線通信、雷達(dá)系統(tǒng)和射電天文學(xué)等領(lǐng)域，LNA被廣泛應(yīng)用于信號接收前端，以提高系統(tǒng)的信噪比。

4，采用噪聲抵消技術(shù)

通過在電路中引入一個與熱噪聲相位相反的信號，可以實現(xiàn)噪聲抵消。這種方法通常需要精確的相位控制和信號處理技術(shù)。在一些高精度的測量系統(tǒng)中，例如量子計算中的量子比特讀出電路，可能會采用噪聲抵消技術(shù)來提高測量精度。

5,采用數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)

通過數(shù)字信號處理技術(shù)，如濾波、平均和自適應(yīng)濾波等，可以在數(shù)字域中對信號進(jìn)行處理，從而降低噪聲的影響。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，數(shù)字信號處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于信號的接收和處理，以提高系統(tǒng)的抗噪聲能力和信號質(zhì)量

總結(jié)

熱噪聲是由于導(dǎo)體中自由電子的熱運動而產(chǎn)生的隨機噪聲，與溫度、電阻值和帶寬密切相關(guān)。雖然熱噪聲無法完全消除，但通過降低溫度、優(yōu)化電路設(shè)計、使用低噪聲放大器、采用噪聲抵消技術(shù)和數(shù)字信號處理等方法，可以有效降低其對系統(tǒng)性能的影響。