功率增益噪声-1.doc

l 在射频和微波系统中，由于反射的普遍存在和理想开路、短路难以获得,l 低频电路中常用的电压和电流测量变得很不现实，因此功率的测量得到了广泛的应用功率、增益、噪声和非线性是描述射频电路最常用的指标，有必要在涉及电路之前作一介绍。功率单位简介无线电波的发射功率是指在给定频段范围内的能量，通常有两种衡量或测量标准：1、功率(W) : 相对1瓦（ Watts ）的线性水准。例如，WiFi 无线网卡的发射功率通常为0.036W，或者说36mW。 2、功率( dBm)：相对1毫瓦（ milliwatt ）的比例水准。例如 WiFi 无线网卡的发射功率为15.56dBm 。两种表达方式可以互相转换：1、dBm = 10 x log 功率 mW也可以用/里的一个mw与dBm在线转换器进行方便的转换l 绝对功率的dB表示 为了计算的方便，通信和微波工程中信号的功率或强度基本上用对数形式来表示。1) dBmdBm是一个表征功率绝对值的单位。计算公式为：例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大小为：例1 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。例2 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为：10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。2）dBw计算公式；x W，利用dBw表示时其大小为：3）dBm与dBw的关系例如：1W等于30dBm，等于0dBW。l 相对功率的dB表示天线和天线增益在无线系统中，天线是无线基站发送功率的最后一个射频部件，被用来把电流波转换成电磁波。如果向各个方向发射的能量都相等，则形成全向覆盖的全向天线，一般采用鞭状天线或螺旋天线。形成定向扇区的定向天线，在转换过程中还可以对发射和接收的信号进行“放大”， 通信中一般使用平板天线实现这种能量放大，由多个天线单元组成，形成比较高的天线增益。天线增益的度量单位用“dBi或dBd表示 ”。 dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子Dipole 的功率能量密度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。由于无线系统中的电磁波能量是由发射设备的发射能量和天线的放大叠加作用产生，因此度量发射能量最好同一度量增益（ dB ），例如，发射设备的功率为 100mW ，或20dBm；天线的增益为 10dBi ，则:发射总能量发射功率（ dBm ）天线增益（ dBi ） 20dBm 10dBi 30dBm或者: 1000mW 1W1） dBi 和dBddBi和dBd是表征增益的值（功率增益），两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子（半波振子Dipole），所以两者略有不同。半波振子的增益为2.15dBi，因此表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示要大2.15，即： dBd+2.15=dBi。 例3 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数字，为18dBi）。例4 0dBd+2.15=dBi。例5 GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi），GSM1800天线增益可以为15dBd（17dBi)。射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，其区别在于：dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式。2）dBdB是一个表征相对值的单位，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）例6 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。例7 7/8 英寸GSM900馈线的100米传输损耗约为3.9dB。例8 如果甲的功率为46dBm，乙的功率为40dBm，则可以说，甲比乙大6 dB。例9 如果甲天线为12dBd，乙天线为14dBd，可以说甲比乙小2 dB。3）dBc它也是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。一般来说，dBc 是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、杂散等的相对量值。在采用dBc的地方，原则上也可以使用dB替代。在“小功率”系统中（例如无线局域网络设备）每个dB都非常重要，特别要记住“ 3 dB 法则”。每增加或降低 3 dB ，意味着增加一倍或降低一半的功率：-3 dB = 1/2 功率-6 dB = 1/4 功率+3 dB = 2x 功率+6 dB = 4x 功率例如， 100mW 的无线发射功率为 20dBm ，而 50mW 的无线发射功率为 17dBm ，而200mW 的发射功率为 23dBm 。功率/电平（dBm）：放大器的输出能力，一般单位为W、mW、dBm。dBm是取1mW作基准值，以分贝表示的绝对功率电平。换算公式：电平（dBm）=10lgW5W 10lg5000 = 37dBm10W 10lg10000 = 40dBm20W 10lg20000 = 43dBm结论：从上不难看出，功率每增加一倍，电平值增加3dBm传统的射频和微波电路使用分立元件和传输线构建，电路的输入输出通常需要匹配到一个系统阻抗(75或50)如果使用统一的负载，功率与幅度是一一对应的，在50 的系统中，系统中某一点的电平是指该点的功率（或电压）对某一基准功率（或电压）的分贝比 详细的阐述见课件“射频的单位”射频电路设计中功率增益的不同定义非常容易混淆，应引起足够的重视。不同功率的定义如下： PL: 负载所获得的功率 PIN: 电路(图中的Network)的输入功率 PAVS: 信号源所能提供的最大功率 PAVN: 电路所能提供的最大功率输入反射系数：输出反射系数：信号源资用功率：射频电路网络从信号源可以获得的最大功率：网络输出资用功率：为负载从射频电路网络可以获得的最大功率其中：分别为射频电路网络从信号源获取的实际功率和负载从射频电路网络获取的实际功率。噪声和噪声系数噪声通常指一种随机过程，用概率密度函数(PDF)和功率谱密度(PSD)来描述。电路中常见的噪声源1. 灵敏度的定义在不同的系统中各不相同，数字无线通信系统的灵敏度通常定义为使误码率 (BER)保持在给定限度之下的最小输入信号功率。2. 不存在特殊的噪声处理电路时， MDS与系统的等效输入噪声相等。 噪声系数(Noise Figure, Noise Factor) 除了等效输入噪声源这种通用的方法，噪声还有其它专用的表示方法，在通信电路中，噪声系数被广泛使用，噪声系数定义其中的F称为Noise Factor，它的dB值称为Noise Figure或NF，即NF=10lgF。 式(8)中的总噪声输出功率可分为两部分，即信号源噪声和系统自身的噪声。通信系统中通常认为信号源噪声是由其内阻RS引起的，在匹配的情况下，系统输入噪声功率为kTB，如果系统功率增益为G，那么总的输出噪声功率为 无源有耗网络的噪声系数无源有耗网络的噪声系数为其插入损耗值 等效噪声温度定义：任何一个线性网络，如果它产生的噪声是白噪声，则可以用处于网络输入端温度为 的电阻所产生的热噪声源来代替，而把网络看作是无噪的。温度 称为线性系统的等效噪声温度。 等效噪声温度与噪声系数的关系 级联系统的等效噪声系数 在实际应用中，常常会遇到多级系统级联的情况，这时需要根据各级电路的增益和噪声系数计算总的噪声系数一个经典的公式为级联网络的噪声系数公式也可表示为： 相位噪声相位噪声是用来衡量本振等单音信号频谱