[科普中国]-系统噪声

系统噪声通常是指 我们的音频/视频系统不断受到的大量辐射信号的轰炸。无线电频率干扰（RFI）非常普遍，任何系统都会受到影响。 电磁干扰（EMI）也会引起系统噪声。在音频系统中，这些场通常由变压器引起，并且可以表现为嗡嗡声或低频噪声。

中英文译音中文译名系统噪声

英文原名/注释system noise

系统噪声的来源和分析系统噪声来源近年来，红外技术与系统在工业、医学和科学研究等许多领域得到了广泛的应用和发展。红外探测器是红外系统的关键技术和核心器件。红外焦平面阵列(IRFPA)探测器的发展极大地提高了红外系统的性能。随着红外面阵规模越来越大，必须发展高速、多路、低噪声的信息获取电路以满足其需求。与红外探测器信息获取系统同，红外探测器测试系统需要更高的噪声水平要求。目前，国内外商用红外探测器信息获取电路动态范围在80 dB 左右，国外航天用红外探测器信息获取电路在90 dB 以上。低噪声的系统设计决定了数据后续处理的计算精度，具有至关重要的意义。基于以上考虑，本文分析红外探测器测试系统噪声的来源，以及各个部分噪声特性进行分析，并给出相应的抑制方法。

系统噪声分析完整的测试系统要对器件提供光源激励，同时由控制模块对器件提供驱动，偏压，使其正常工作，并对电信号进行采集和存储，最后将数据计算分析，并对器件的性能进行评价。对于噪声来说，测试系统的噪声1主要产生于电子模块，下面针对电子模块噪声进行详细分析与抑制方法研究。

在信息转化的每一个环节中都会相应的引入额外的噪声。研究探测器的噪声对红外探测器来说有着重要意义，但对于测试系统来说，探测器组件作为输入对象，在整个系统中作为一个整体组件进行分析。目前探测器组件RMS噪声在200 左右。

1)线缆噪声分析

线缆用于连接探测器组件和信息获取电路。线缆不仅是系统中最长的部分，而且它还类似于一个拾取和辐射噪声的高效天线，是噪声传导的良好通道，因此线缆是系统中最薄弱的部分。

2)调理电路噪声

调理电路主要将探测器输出信号调理成与ADC器件输入范围相匹配，以达到动态范围相匹配的作用.仪器仪表放大电路具有高共模抑制比，高输入阻抗，低噪声，低线性误差，低失调电压和失调电压漂移，低输入偏置电流和失调电流误差，带宽充裕等特征。适合光电成像系统，能够较好地完成图像信息的获取工作。

电阻和运放噪声是调理电路噪声来源主要部分，在该电路中电阻和运放本身均是非理想器件，电阻在电流流过时不可避免产生热噪声，运放则主要包括n端和p端的等效输入电流噪声及两端之间的等效电压输入噪声。

3)电源及偏压噪声

电源输出模块，如LDO和DC/DC等，在输出电压时，都会有一定的输出纹波，在器件的Datasheet中有明确的规格参数，对这一类噪声，一旦IC供电芯片确定了，这部分噪声也就确定了，但是如果负载瞬态电流的变化速率要求高些，供电IC就无法对负载的需求做出实时的响应，这样就会出现电压的跌落，从而引入噪声，对于高于供电IC实时响应的瞬态负载电流，就需要增加额外的去祸电容满足这一需求。我们采用不同容值不同材质的电容组合可以有效去除。

4) ADC噪声

模拟数字转化(ADC)模块主要完成模拟图像信号的模拟数字转化工作，对于ADC由于有效量化位数的限制，存在着不可避免的量化噪声，量化噪声主要受到信号统计特征和量化位数的限制。量化噪声是目前信息获取系统中一个必然存在的量，随着量化位宽的增加呈指数下降的趋势。对于ADC器件除了存在量化噪声这一物理量之外还存在半导体器件共同具有的1/f 噪声，热噪声等，只是这些噪声在器件设计之初已经被很好的限制，相对于量化噪声可以忽略不计，因此在实际分析中只需要重点关注量化噪声。

具体噪声抑制方法一个噪声问题的产生必须具备三个要素：首先，必须要有噪声源；其次，必须有对噪声敏感的接受器;第三，必须有一个将噪声从源头传送到接收器的藕合路径。

通常，有三种方法可以切断噪声的祸合路径：

1)在噪声源头对噪声进行抑制；

2)降低敏感电路对噪声的敏感程度；

3)减小通过祸合路径传输的噪声大小。

在某些情况下，噪声抑制技术必须使用切断噪声路径方法中的两个或所有三个方面。

线缆噪声抑制采用屏蔽线能从噪声祸合路径有效抑制噪声进入系统。而接口电路是解决线缆辐射问题的重要手段，减小线缆上共模高频电流我们需要合理设计线缆端口处的接口电路，通过在线缆接口处使用低通滤波器或抑制电路，滤除线缆上的高频共模电流。连接器的主要作用是给线缆和接口电路提供一个良好的互连，并保证良好的接地，连接器要考虑阻抗匹配、ESD等因素。

在低频时，屏蔽线缆拾取噪声电压与裸线相同，当频率大于屏蔽层截止频率时，屏蔽线拾取电压不再加。

为了保证低噪的系统输入，我们使用板内低噪参考源ref ( RMS噪声22微伏)，使用50 Hz电扇模拟噪声源，对比使用sff屏蔽线缆和裸线时系统的噪声情况。

噪声会通过线缆进入系统，影响系统噪声性能。屏蔽线从祸合路径处抑制噪声进入系统，能很好起到降噪效果，在不加噪声的情况下提高5 dB，在有噪声的情况下提高45 dB 。

ADC噪声抑制如果放大器噪声过大，ADC将会原封不动地将放大器电路的噪声转换为数字输出。另一方面，ADC的噪声很有可能比放大器电路的噪声还要大。以下就从前级电路噪声和ADC性能分析比，用信噪比(SNR)衡量前级电路噪声与ADC是匹配。

采用14 bit ADC，前级电路噪声和ADC本身对系统影响都比较大;采用16 bit和18 bit ADC前级电路噪声对系统影响较大。现代高性能ADC利用差分输入来抑制共模噪声及干扰，且将动态范围提高1倍，并通过平衡信号提高总体性能。

基于以上分析，不考虑探测器噪声情况下，前级电路噪声越低越好。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所