微波收发技术噪声和接收机灵敏度(本).ppt

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1、微波通信技术,第4章 微波通信中的收发技术,主要内容,基本知识：微波工程常用单位和表示方法 无线系统体系构架 系统的非线性和补偿措施 系统的噪声和噪声系数 系统的灵敏度和动态范围 微波收发系统的实现 微波收发系统中的频率源技术 设计实例,主要内容,引言 噪声的来源 噪声对微波通信系统的影响 噪声系数的定义 级联系统的噪声系数 混频器的噪声系数,引言,在微波通信系统中，接收机要处理很微弱的信号，但是组成系统的各个部分的附加噪声往往会淹没这些微弱信号。 灵敏度、BER、NF是表征系统处理微弱信号能力的系统参数，其中NF具有独特的作用，它不仅可以描述整个系统，也可以描述组成系统的各个部件。通过控制各

2、个部件的NF及增益，即可确定整个系统的NF，从而根据系统带宽来确定系统的灵敏度，进而确定系统的BER。,噪声对微波通信系统的影响(1),噪声对微波通信系统的影响(2),噪声的来源,热噪声 导体内部电子的热运动和电子器件中的载流子的不规则运动所产生的噪声. 各种干扰噪声 主要是由电波多径传播、阻抗失配、电源波动及其它欣道的干扰所产生的噪声。 波形失真 传输设备的线性失真与非线性失真所产生的噪声 外部噪声 外部设备的电磁干扰、各种雷电和云层放电所辐射的电磁干扰和宇宙间其它星系辐射的电磁干扰所产生的噪声。,热噪声的分析,噪声功率随带宽的减小而减小 噪声功率随温度的降低而降低 噪声功率公式仅适应于10

3、00GHz以下的频率,噪声系数的定义1,意义： 信号通过二端口网络(放大器)后，由于器件本身产生噪声，使信噪比变坏，使信噪比下降的倍数就是该器件的噪声系数。,输入端信噪比,输出端信噪比,噪声系数的定义2,输出端的噪声可分为两部分 由进入系统的外部噪声造成的 NinGa 系统的内部附加噪声Na Pn=Na+NinGa,Na,Noise (in) x Gain N in G,Noise (in),噪声系数的定义3,利用等效噪声温度 将放大器自身产生的那部分噪声由其输入端的等效噪声温度Te来表示 则Na=kTefG 同样Nin=kT0fG,NF 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

4、 0.8 0.9 1.0 1.5 2.0 3.0 4 NF(dB) 1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.23 1.259 1.413 1.585 1.995 2.512 Te(K) 6.82 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 120.9 171.3 291.6 442.9,有耗二端口网络的噪声系数,我们将有耗二端口网络视为无源有耗器件，如衰减器、有耗传输线等 用损耗因子L来表示，GA=1/L,室温下 F=L,(F1，G1)为第一级放大器的噪声系数和增益 (F

5、2，G2)为第二级放大器的噪声系数和增益 F0为级联后的系统噪声系数,级联系统中的噪声系数(1),级联系统中的噪声系数(2),级联系统中的噪声系数(3),对N级级联系统,噪声度量,定义噪声度量标准,若Amp1（F1，G1），Amp2 （F2，G2）,若M1M2，则Amp2排在Amp1前面，F21F12,若M2M1，则Amp1排在Amp2前面，F12F21,Amp1 F=2,G=10dB, Amp2 F=2，G=20dB 则M1=1.11111 ，M2=1.05，因此Amp2排在Amp1的前面 F12=2+（2-1）/（1-10）=2.1 F21=2+（2-1）/（1-100）=2.01,例子,

6、第1级NF对系统的影响,应合理地分配各级电路的噪声系数和增益 在一定条件下,系统的噪声系数只取决于系统的第1级电路的噪声系数,计算接收机的总噪声系数,主要内容,基本知识：微波工程常用单位和表示方法 无线系统体系构架 系统的非线性和补偿措施 系统的噪声和噪声系数 系统的灵敏度和动态范围 微波收发系统的实现 微波收发系统中的频率源技术 设计实例,主要内容,灵敏度 灵敏度的定义 灵敏度的定量表示 收信门限电平 动态范围 动态范围的定义 动态范围的定量表示,灵敏度的定义,在给定接收机解调器前所要求的输出信噪比的条件下，接收机所能检测的最低输入信号电平。 灵敏度与所要求的信号质量即输出信噪比有关，还与接

7、收机本身的噪声系数有关。,设接收机天线的等效噪声温度为Ta，接收机的噪声系数为F，功率增益为G，带宽为B。 设最低的可检测输入功率电平为Pin,min，则 Pin,min= Pout,min/G 其中Pout,min是经接收机放大后对应的最低可检测 输出功率。,接收机输出总噪声功率,灵敏度的定量表达式(1),No是天线噪声经放大后的输出与接收机内部附加噪声的总合，即No=kBTaG+Na。 Na可视为等效噪声温度为Te的天线噪声电阻经放大后在接收机输出端呈现的噪声功率，Na=kBTeG 由噪声系数的定义，F=1+Te/T0，Te = (F-1)T0 则No=kBTa+(F-1) T0G 而 是

8、所要求的最低输出信噪比，因此灵敏度为Pin,min=kBTa+(F-1) T0(SNR)o,min,灵敏度的定量表达式(2),灵敏度的定量表达式(3),灵敏度用dB表示,系统的基底噪声Ft,当Ta=T0=290K时，基底噪声为,灵敏度的定量表达式（4）,结论： 基底噪声与所要求的信噪比共同决定了输入灵敏度。系统的噪声基底越大或者要求输出的信噪比越高（信号质量越高），为保证输出质量所要输入的信号最低电平越高，即灵敏度低。,例,一低噪声放大器的增益为20dB，噪声系数为2dB，假设其工作带宽为100MHz，问：该LNA的输出基底噪声是多少？,收信门限电平(1),根据调制方式、传输速率、BER门限可

9、确定通信系统的收信门限电平。,过程如下： 首先根据调制方式和BER门限，求出对应的理论归一化比特能量信噪比Eb/N0,MQAM相干解调的BER,收信门限电平(2),2. 根据调制方式确定系统的载噪比C/N,这里考虑的噪声是接收机输入端的总的白噪声，包括接收机输入匹配噪声电阻供给的及接收机本身产生的热噪声功率之和。 N0代表接收机输入端单边带噪声功率谱密度。 对理想信道，可取fs=B，对于基带具有余弦滚降特性的频带传输系统，B=（1+）.fs,收信门限电平(3),当B=fs时，,3. 根据调制方式和传输速率确定等效噪声带宽,4. 根据灵敏度的计算公式即可确定在某噪声系数下的收信门限电平,某通信系

10、统的调制方式为64QAM调制，经相干解调，BER与归一化信噪比的关系为,当系统BER=210-5，NF=2dB,通信速率为155Mbps时，系统的收信门限电平？,计算收信门限电平的例题(1),计算收信门限电平的例题(2),1）根据BER与Eb/N0的公式，当BER=210-5时 Eb/N0=17.4dB，则C/N=Eb/N0+10log(log264)= 17.4+7.8=25.2dB,2）等效噪声带宽 B=155106/log264=25.83106MHz,3）Prt=-114+2+10log(25.83)+25.2=72.6dBm,注意：如果不考虑余弦滚降系数，可以直接利用Eb/N0、传输

11、速率和噪声系数等参数计算收信门限电平。,Prt=-114+NF+10log(fb) (MHz)+Eb/N0,动态范围(1),接收机（特别是移动接收机）所接收的信号强弱是变化的，通信系统的有效性取决于它的动态范围，即高性能地工作所能承受的信号变化范围。动态范围的下限是灵敏度，它受到噪声基底的限制。当输入信号太大时，由于系统的非线性而产生了失真，输出信噪比反而下降，因此动态范围的上限由最大可接受的信号失真决定。,动态范围的定义(2),1) 对功率放大器常用线性动态范围的概念(Linear dynamic range)。 定义为：产生1dB压缩点的输入信号电平与灵敏度或（或噪声基底之比）,2) 对L

12、NA和混频器则常用无杂散动态范围的概念(SFDR)(Spurious-free dynamic range)，即下限输入信号为灵敏度（或下限为噪声基底），上限为在输出端引起的三阶交调失真分量Po3等于最小可检测电平，折合到到输入端，恰好等于输入信号为灵敏度（或下限为噪声基底）， 即Pin,max=Ft/GP。,动态范围的定义(3),SFDR=Pin,max/Pin,min,1）根据噪声基底和SNRmin可以求出Pin,min,2）根据噪声基底和IIP3可以求出Pin,max,动态范围的定义(4),以灵敏度作为下限定义SFDR时，,以噪声基底为下限定义SFDR时，,例题,已知某接收机解调前的射频

13、子系统的的噪声系数是NF=5dB，三阶交调截获点为-10dBm,系统的带宽B=10MHz，天线的等效噪声温度为T0，解调器要求输入的信噪比为SNRo,min为12dB，求此系统的无杂散动态范围。,解 Ft=-174dBm/Hz+NF(dB)+10logB =-174+5+70=-99dBm,主要内容,基本知识：微波工程常用单位和表示方法 无线系统体系构架 系统的非线性和补偿措施 系统的噪声和噪声系数 系统的灵敏度和动态范围 微波收发系统的实现 微波收发系统中的频率源技术 设计实例,微波收发系统的实现,对微波收发系统的要求 微波发射机的实现 发射机的主要技术指标 微波接收机的实现 接收机的主要技

14、术指标 一些典型系统的实现框图 收发系统中的关键部件,微波收发系统的组成,数字I/Q调制信号,中频调制信号,射频调制信号,微波调制信号,数字基带信号,模拟I/Q调制信号,本振CW信号,本振CW信号,频分系统的射频框图,接收机和发射机的射频部分应解决的问题,选用合适的调制与解调方案 接收机具有很好的频率选择性和抗干扰性能 接收机具有高灵敏度和线性动态范围 高效率的不失真的功率放大器 发射信号对相邻信道的干扰 天线双工器的损耗要小，隔离度度要高,发信机的射频主要技术指标,发射频率 发射频率准确度、稳定度 发射功率 发射机带宽 发射机幅频特性 杂散抑制度、谐波抑制度 非线性指标（ 1dB压缩点、三阶

15、交调） 相位噪声,发射频率,无线电委员会的规划 通信容量大小 通信距离、大气吸收、雨衰 设备复杂度、成本,频率准确度,频率源的实际输出频率,频率源的 标称值,频率准确度：实际频率和标称值的差比标称值。,发射功率,链路预算（通信距离、频率、接收机灵敏度、收发天线） 衰落储备 功放效率和系统功耗要求,发射机带宽,图示为码速率为10Mbps的QPSK调制频谱频谱,发射机幅频特性,杂散抑制度,谐波抑制度,非线性参数,相位噪声来源,相位噪声指标的定义,f0,f,f0- fm,f0+ fm,1Hz带宽,f0,f,理想频谱,实际频谱,普通VCO的相位噪声特性,CRO的相位噪声特性,相位噪声和相位抖动的关系,

16、A B,S(f),Phase Jitter = Total rms phase deviation within a specified bandwidth,相位噪声和寄生调频的关系,A B,S(f),Residual FM = Total rms frequency deviation within a specified bandwidth,相位噪声对通信系统的影响,Phase Noise,Amplitude Noise,频率稳定度,fx-f0,f0,频率源的实际输出频率,频率源的 标称值,max,频率稳定度：在一定时间范围内(t) 频率准确度变化,频率稳定度类型,长期频率稳定度 t1天

17、取决于电源元件和有源器件的老化特性。,短期频率稳定度 t1天 取决于温度变化、电压变化和电路参数的不稳定。,瞬时频率稳定度 t1秒 由振荡器的内部噪声导致的频率起伏,阿仑方差,阿仑方差定义为,每次测量的取样时间,标称 频率,第2i次测量的频率值,第1i次测量的频率值,测量方法：取样时间，测定时的平均频率f1i，然后无间隙地测量另一个取样时间的平均频率f2i，将(f1i ,f2i)作为第i组数据，共取n组。,阿仑稳定度： s(t)=y(t)/f0,发射机主要组成部件,正交调制器 上变频器 本振频率源 功率放大器 滤波器、双工器 微波开关,正交调制器,p/2,载波,I:,Q:,I,Q,上变频器,主

18、要技术指标： RF工作频率 LO工作频率 IF工作频率 变频损耗 LO/RF隔离 LO/IF隔离 RF/IF隔离 三阶交调系数IM3 P1dB(Input) IP3(Input),常用的上变频器： 变容管上变频器 功率容量大 变频损耗小 有一定的功率增益 晶体管上变频器 变频增益小 本振功率小 肖特基二极管 功率容量小 变频损耗较大,上变频寄生信号图,本振频率源,频率源的主要技术指标 频率稳定度 频率准确度 杂散电平 谐波电平 调制线性 频率牵引系数 推频系数 漂移系数 输出功率稳定度,频率源的主要实现方式 介质稳频振荡器 倍频链式频率源 锁相频率源 PLL频率源 DDS频率源 PLL+DDS

19、频率源,滤波器的基本概念,定义 滤波器是现代电子系统中的关键部件，实际为一频率选择部件。理想特性为: 允许某一频率段, 如f1f2=B通过，而抑制其余频率段ff2 ,即不许它们通过(f2 f1)。,分类(按性能指标) 低通滤波器： f1=0,即0 f2的频率允许通过，高于f2的频率被抑制； 高通滤波器：f2=，f1的频率允许通过，低于f1的频率(0 f1)被抑制； 带通滤波器：f1f2的频率允许通过，低于f1的频率（0 f1）被抑制，高于f2的频率（f2）被抑制； 带阻滤波器：f1f2的频率不允许通过，低于f1的频率（0 f1）允许通过，高于f2的频率（f2）允许通过 (示意图与“带通”类似，

20、“带通”时的通带与为“带阻”的阻带)。,滤波器的基本概念(Cont),LPF,HPF,BPF,滤波器的基本概念(Cont),工作原理 滤波器对通带内频率呈现匹配传输，对阻带频率失配而进行反射衰减，由此实现信号频谱过滤功能。,滤波器的主要参数 1. 中心频率 滤波器通带的中心频率fo,一般取fo=(f1+f2)/2, 窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。,2. 通带带宽(BWxdB) 指需要通过的频谱宽度, BWxdB=(f2-f1)。 f1、f2为以中心频率fo处插入损耗为基准，下降X(dB)处对应的左、右边频点。通常用X=3、1、0.5即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB表征

21、滤波器通带带宽参数(低通、高通则以X dB截止频率fxdB来表征通带宽度)。 通带相对带宽BW3dB/fo100%亦经常用来表征滤波器通带带宽。,滤波器的基本概念(Cont),3. 中心插损(IL) 滤波器传输中心频率时引入的损耗值(dB)。 4. 带内驻波比(VSWR) 衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。理想匹配VSWR=1:1，失配时VSWR1:1。 对于一个实际的滤波器而言，满足VSWR1.5:1的频带宽度B小于BW3dB, 其占BW3dB的比例与滤波器节数直接相关同时受通带相对带宽的影响。节数越多、相对带宽越窄、谐振器Q值越低所占比例越大。 5. 延迟(Td) 指信号

22、通过滤波器所需要的时间，数值上为传输相位对角频率的导数，即Td=d/d。,滤波器的基本概念(Cont),6阻带抑制度 衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制得越好。通常有两种提法：一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB，计算方法为fs处衰减量As-IL；另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标矩形系数(KxdB1)，KxdB=BWxdB/BW3dB，(X可为40dB、30dB、20dB等。滤波器节数越多矩形度越高即K越接近理想值1，制作难度当然也就越大。 7. 带内相位线性偏离 该指标表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。相位线性度要求越

23、高，滤波器的阻带抑制度越差。因而该指标通常在传输脉冲、或调相信号时才被重点提出。,滤波器的基本概念(Cont),滤波器的传输函数 理想矩形选择性滤波器在实际实现时是不可能的，因而往往用一些其他函数加以近似。 1. 巴特沃斯(Butterworth)函数 插损IL=10log(1+2n)，该响应函数阻带下降较为缓慢且仅在=0处IL=0。IL随增加单调上升。在直流(对带通而言则为中心频率)附近有很小的回波损耗。又称其为最大平坦型。 注：并不关注带内的时延和相位相应特性。,滤波器的基本概念(Cont),2. 切比雪夫(Chebyshev)函数 IL=10log(1+2Tn2()， 其中Tn2()=c

24、os(n*cos-1(), |1; =cosh(n*cosh-1(),|1 。 由此可知在=0时IL=0或10log(1+2)=Ap 。在|1范围内分布着n个理想传输(IL=0)点，并以Ap作等纹波波动(值决定波动大小)。不过对谐振电路Q值不是很高的滤波器(如LC滤波器及一些窄带滤波情形)而言，此波动往往变得模糊甚至被“淹没”。|1时IL单调上升且较最大平坦型快。,滤波器的基本概念(Cont),3. 椭圆函数(Elliptic) Butterworth , Chebyshev函数均为全极响应函数，即传输零点位于DC及处。椭圆函数具有有限频率传输零点，大大提高了阻带陡峭度，该类响应函数滤波器阻带

25、不象全极点滤波器那样单调下降而是有波动，但通带近处具有全极点滤波器不可比拟的阻带陡峭度。 注：椭圆函数具有较差的相位响应和瞬间响应特性,滤波器的基本概念(Cont),4. 高斯类函数(Gaussian) 以上两种函数响应的滤波器均侧重幅频响应，它们的线性相位传输特性都较差，比较明显地表现在通带边沿延迟“振铃”畸变剧烈，且随节数增多而加剧。理想线性相位滤波器的带内延迟应该是一条水平线，信号经过它传输后不会发生相位失真。高斯类函数响应即为这种线性相位传输特性的近似，它包括：最大平坦时延(即Bessel函数)、Gaussian函数、Linear phase error等，这些响应函数具有良好的延时平

26、坦度(即传输相位线性度高)，但幅频选择性远劣于Butterworth、Chebyshev，更不如Elliptic函数响应。,滤波器的基本概念滤波器结构形式,按谐振子的实现方式分为集总元件、分布参数滤波器两种。分布参数又分为印制版电路(微带、悬置微带线)、机械腔体、介质谐振子等形式。 集总(LC)滤波器 适于3GHz以下应用，该类滤波器运用微波集总元件设计方法实现谐振电路，使滤波器具有很小的体积、便于安装的结构且无寄生通带(或很远)，同时具有设计灵活、研制周期短(小批量研制最短可在1周或3天以内)等优点。但由于集总电感元件Q值低，该类滤波器插入损耗较大且相对带宽不可能作得很窄(一般3%)，限制了

27、其在有低插损、高矩形度、窄带、大功率等要求场合下的应用。,滤波器的基本概念滤波器结构形式,介质滤波器 介质谐振器Q值一般为集总元件的23倍(TEM模)或1020倍(TE01模)，从而使该类滤波器能够实现窄带滤波(1%至1)。但寄生通带较近(TEM模约为2fo，TE01模约1.12fo), 使该类滤波器主要用于既要对通带近端杂散进行抑制同时又须有较小体积的场合。 腔体滤波器 谐振子全部由机械结构组成使其具有相当高的Q值(数千甚至上万)，非常适于要求低插入损耗(1dB)、窄带(1%)、大功率(可达300W或更高)传输等应用场合。该类滤波器具有较大体积且有寄生通带，加工成本较高，生产周期一般为46周

28、。 印制版电路滤波器 该类滤波器在低成本及没有过高体积要求时广泛应用。尤其在3GHz以上总体性能优于LC滤波器。,滤波器的基本概念如何发挥最佳性能,滤波器是反射型器(部)件, 能否充分发挥滤波性能的关键为端口阻抗匹配、良好的微波接地及防止空间信号串绕。 端口阻抗匹配不仅包括通带内，同时阻带反射性能也会受端接负载偏离系统阻抗的严重影响并导致带外抑制度下降。因此，滤波器一般不能直接级联而必须在中间采取隔离措施。 良好的微波接地是使滤波器带内、带外整个特性得以最充分发挥的必要条件。 空间信号串绕指经滤波器输入端反射的信号和未经滤波通道的信号在滤波器周围空间传输，从而削弱了滤波效果。必须尽量对周围空间

29、可能的串绕信道采取隔断措施。,滤波器的性能,功率放大器,功率放大器的主要技术指标 输出功率 增益 效率 三阶互调失真增益 寄生输出,功率放大器的主要形式 行波管 固态功放,固态功率放大器的实现工艺 Si工艺 GaAs工艺 GaN,固态放大器的种类,Traveling Wave Tube,Electron gun RF input Magnets Attenuator Helix coil RF output Vacuum tube Collector.,功率合成的形式,电路级 功率合成,空间 功率合成,芯片级功率合成(4.13mm3.3mm),MMIC Power Amplifier1W(Tr

30、iquint),MMIC Power Amplifier1W(Triquint),接收机的基本实现方案,接收机的基本实现方案,超外差式接收机 零中频接收机(直接下变频) 镜频抑制接收机 数字中频基色收机,超外差式接收机的基本结构方案,首先中频比载频信号低得多，容易实现信道选择 避免系统的高增益放大的自激现象 在较低的固定中频上解调或A/D也相对容易,接收机的主要技术指标,噪声系数 接收机灵敏度 接收机增益和动态范围 接收机带宽 接收机选择性（幅频特性） I/Q正交特性（幅度、相位一致性） 相位噪声 杂散和谐波抑制度 频率准确度、稳定度,接收机主要组成部件,低噪声放大器 下变频器 正交解调器 自动增益放大器,LNA的技术指标（以Triqint）,下变频器,主要技术指标： RF工作频率 LO工作频率 IF工作频率 变频损耗 LO/RF隔离 LO/IF隔离 RF/IF隔离 三阶交调截止点 P1dB(Input) IP3(Input),正交解调器,自动增益放大器,模拟AGC放大器,数控AGC放大器,现代接收机设计,现代接收机类型和特点 接收机数字化技术 HMIC和MMIC在接收机中的应用,超外差接收机,直接变频式接收机,软件无线电基本结构和原理,图a,图b,图c,接收机数字化技术,接收机数字化硬件平台,