【實作實驗室】頻譜下方的雜訊怎麼來的？

Posted By StrongPiLab on 6 月 23, 2019 in 實作派StrongPiLab, 教學文 | 0 comments

當我們用「頻譜分析儀」觀察訊號時，很常會看到下方有一條持續微小抖動的橫線，這條橫線代表的就是「雜訊」，我們稱之為 Noise Floor。如下圖所示，如果待測訊號比 Noise Floor 大，你就可以看到訊號；反之若待測訊號太小，那麼訊號就會被 Noise Floor 淹沒，你就看不到訊號了。

待測訊號顯示受雜訊影響（圖片來源：實作派提供）

待測訊號通常是自己打進去的，各種參數都能自己調整，輸出結果因此是可預期的；但 Noise Floor 的高度似乎每次都不一樣，它是從哪裡來的呢？它能夠被控制甚至消失嗎？下面就來為各位介紹頻譜的雜訊來源（事實上所有儀器的雜訊都來自相同來源，如此在頻譜上比較好呈現，也比較好解釋）。

雜訊來源 — 運動中的電子

任何電子與電洞只要溫度在絕對零度以上，就會產生振動，其中振動的電子會產生訊號，而這些訊號的頻率與振幅是隨機的，稱為「熱雜訊 Thermal Noise」。這些電子與電洞振動的幅度會隨溫度的增加而變大，因此理論上螢幕上的雜訊會隨溫度的增加而變高，這也是為何一些較高階的儀器常需要熱機的原因，通常熱機的時間從 40 分鐘到 1 小時都有可能，目的是要讓儀器的溫度達穩定，才能穩定地運作。

至於溫度與雜訊的關係，已經有科學家研究出來了，雜訊公式為：

熱雜訊功率=kTB

（ k=1.38 e-23 joules/K（波茲曼常數），T=絕對溫度 K，B=雜訊頻寬）

螢幕上的雜訊成分

除了元件的熱雜訊之外，還有被放大器放大的雜訊，這些全部加總在一起，就是螢幕上呈現的雜訊。如下圖所示，假設頻譜分析儀的放大電路只有兩級，我們來試著追看看雜訊是怎麼來的吧！