通信射频电路系统噪声和非线性.ppt

第一章通信系统噪声和非线性特性 书中第二章 电子科技大学游长江 无线通信收发机 前端结构示意图 本章主要内容 一 基本信号通信最基本的信号为正弦 余弦 信号 理想单频正弦信号的数学表征如下 V t V0Sin 2 f0t 0 V0Sin t V0为正弦时变信号的峰值 电压 f0为正弦时变信号的频率 Hz 0为正弦时变信号的初始相位 弧度 t 为正弦时变信号的相角 1 1基础知识 二 调制信号 在实际通信系统中V t 称为载波信号 其f0决定了通信系统实际工作的频段 波段 V t 有一个t变量 三个参量 V0 f0 0 实现通信 信息传输 需将信息 基带信号调制在V t 中三个参量上 得到已调制载波信号 已调信号 三 调制信号种类 模拟调制信号 调幅 调频 调相 复合调制 数字调制信号 调幅 调频 调相 复合调制 1 对V0进行调制 AM ASK 中波广播2 对f0进行调制 FM FSK 超短波调频广播3 对 0或 t 进行调制 M MPSK MSK GMSK 间接调频 GPS GSM PLRS4 复合调制 对二个以上参量同时进行调制 AM M QAM 短波SSB通信 WLAN 香农 C E Shannon 信息容量极限理论I Blog2 1 S N 或I 3 32Blog10 1 S N I为信息容量 单位b s B为通信系统信号带宽 单位Hz S N为信噪功率比 决定通信系统性能 信息容量 质量 的两个重要参数 通信系统信道带宽和通信信号信噪比 干扰噪声功率谱 四 信息论 从而可确定一个通信系统在确定的信噪比条件下传送给定信息容量 数据量 需要多大的系统信道带宽 香农公式可改写为 香农公式还可改写为 可以确定一个通信系统在确定带宽条件下传送给定信息容量 数据量 需要多大的信噪比 通信系统实际允许传输的信号的最高频率与最低频率之差 实际通信系统通信带宽B主要取决于信道 中放 带宽 任何通信系统不能无失真地传输频率变化范围大于信道带宽的信号 语音电话信号带宽 3KHz 有线电话信道带宽约为2 7KHz高保真FM音乐信号带宽 200KHz电视信号带宽 6MHz 有线电视信道带宽带宽约为4 5MHz信息信号愈复杂 其带宽就愈大 五 通信带宽B BW 信号噪声功率比 信噪比是衡量通信信号质量好坏的重要指标之一 SNR S N Ps PnPs 信号功率 W Pn 噪声功率 W Pn是指落入通信通带范围内噪声的总功率 SNR 10log10 Ps Pn dB 在理论分析中信号功率容易确定 噪声是随机的 不确定的 噪声的功率则不易计算 理论分析中常用噪声功率积分得到 其可通过实际测量得到 六 信噪比 1 2无线通信系统噪声及效应 A 电路与系统的噪声来源电阻内电子的热运动有源器件 晶体管 中电荷粒子的随机运动外界的干扰信号 B 电路与系统的噪声种类电阻的热噪声PN结的散粒噪声 MESFET的闪烁噪声干扰信号 C 电路与系统的噪声效应降低信号的信噪比 降低接收机的灵敏度 增大误码率 提高解调器的最低门限 干扰正常通信 D 噪声信号的特征参量噪声信号频谱 窄带 宽带 白噪声 噪声功率谱 SI V f 单位 dBm Hz等效噪声带宽 一 起伏噪声 描述起伏噪声的几个重要概念 频带内的功率 和代表单位电阻上的功率 3 等效噪声带宽 白噪声 是常数 白噪声通过线性系统 噪声通过线性系统 等效噪声带宽定义 系统总输出噪声 B为系统带宽 二 电路器件的噪声 4 额定噪声功率 条件 噪声源与系统匹配 3 有噪电阻的串并联 1 基区电阻热噪声 白噪声 2 散粒噪声 功率谱密度 1 沟道电阻热噪声 3 闪烁噪声 噪声 二 双极型晶体管的噪声 3 噪声等效电路 三 场效应管的噪声 2 噪声等效电路 四 电抗元件的噪声 电抗元件的噪声来源于它的损耗电阻 热噪声 五 两端口网络的等效输入噪声源 解 1 首先求放大器的增益 放大器交流等效电路如图示 电压增益 2 求放大器总输出噪声 求 该放大器对应的等效输入噪声源和 4 求等效输入噪声电流源 输入端开路 此时输出端的噪声均由产生 则 3 求等效输入噪声电压源 输入端短路 此时输出噪声均由产生 则 和是相关的 三 噪声系数 1 噪声系数定义 2 噪声系数与等效输入噪声源的关系 1 对噪声系数的理解 例2 图示的两端口网络只是一个电阻 求该网络的噪声系数 解 根据公式 该网络的电压增益为 等效噪声电路如图 根据噪声系数定义有 与功率最大传输 共轭匹配不同 在带宽B内输出噪声电压均方值为 3 无源有耗网络的噪声系数 根据噪声系数的定义 结论 无源有耗网络的噪声系数在数值上等于它的损耗 信号源内阻产生的额定噪声功率为 输出电阻产生的额定噪声功率为 四 等效噪声温度 条件 有噪线性网络 产生白噪声 匹配 1 等效噪声温度定义 定义 将网络视为无噪 其内部噪声折合到输入源端 视为由某电阻在温度时产生的白噪声 有噪网络输出噪声和等效噪声温度的关系 2 等效噪声温度与噪声系数的关系 设网络为无噪 总输入噪声为 信号源输入噪声为 总输出噪声为 五 多级线性网络级联的噪声系数 第二级输出噪声功率是 求 总噪声系数 等效噪声温度 两级总的输出噪声功率又可表示为 所以 多级线性网络级联总噪声系数 2 增大第一级的增益可以减少后级对系统噪声系数的影响 解 例3 两级级连电路 NF1 2dB Gp1 12dB NF2 6dB Gp2 10dB 求总的噪声系数NF 一 非线性器件的描述方法 1 用解析函数描述 1 3无线通信系统非线性及效应 差分放大器 双曲正切函数 2 幂级数描述 代入 3 分段折线描述 适用条件 大信号输入 差分放大器 2 线性化参数 适用条件 输入为小信号 dB与dBm dB表示的量是无量纲的 是比值 电压比的系数是20 功率比是10 注意 a dB 当输入输出阻抗相同时 b dBm与dBmV 采用dB的优点 注意 dB与dB可加减 但不能乘除 dBm与dBm不可相加 但可以相减 结果为dB 二 器件非线性的影响 研究有源器件的非线性对线性放大器的影响 研究内容 出现的现象 名称定义 衡量性能的指标 1 输入端仅有一个有用信号 1 谐波 harmonics 放大器输入 输出电流 2 增益压缩 GainCompression 特点 考虑对基波分量的影响 只考虑到三次方 基波增益 输出电流 线性非线性 仅与放大器工作点不仅与工作点有关有关而且与输入信号幅度有关 跨导 基波电流 常数与信号幅度有关 增益 线性增益 与器件类型和放大器工作点有关 增益1dB压缩点计算 2 输入端有两个以上信号 设输入两个信号 由于非线性 问题 对基波输出有什么影响 基波分量 仅考虑到三次方 二次方产生的组合频率 三次方项产生的组合频率为 1 堵塞 Blocking 平均基波跨导 指标 强信号堵塞60dB 70dB 2 交叉调制 CrossModulation 交叉调制现象 干扰信号幅度转移到有用信号幅度上 结果 当有用信号是调幅波时 解调后 会听到干扰台的串话音 输出有用信号基波 3 互相调制 Intermodulation 输入状况 两等幅输入信号的频率 比较接近 输出电流 互调失真衡量指标 a 互调失真比 输出互调与输出基波之比 设 即输入信号较小 可忽略增益压缩 互调失真电压幅度比 互调失真功率比 b 三阶互调截点 third orderinterceptpoint 定义 三阶互调截点为三阶互调功率和基波功率相等的点 互调干扰在射频系统中出现的形式 接收 1dB压缩点与三阶截点的关系 即增益压缩点的输入 或输出 电平要比三阶截点电平低约10dB 3 多级非线性级级联特性 讨论 系统总的非线性与每一级的非线性关系 多级公式 三 非线性器件在频谱搬移中的应用 什么是频谱搬移 结论 频谱搬移是产生两信号的和频与 或 差频 理想的频谱搬移电路 乘法器 频谱搬移的特点 被搬移的信号频谱结构不发生变化 非线性器件实现频谱搬移 非线性器件的二次方项就可实现两信号的相乘 存在问题 非线性器件用于频谱搬移的最大问题是 组合频率太多 四 灵敏度与动态范围 1 灵敏度 定义 在给定接收机的解调器前端所要求的最低信噪比条件下 接收机所能检测的最低输入电平 功率 灵敏度计算 以dB表示 当时 此时灵敏度