《接收机概述》PPT课件

雷达接收机,一、接收机设计基础噪声系数和灵敏度、动态范围等二、雷达接收机的结构三、接收机带宽定义四、增益控制方法五、高频地波雷达OSMAR2003接收机及主要部件放大器、滤波器、混频器、振荡器等,一、接收机设计基础,设计目标：从噪声背景中，最佳地分离出所需要的回波。考虑因素：系统噪声、系统增益、动态范围、带宽、相位和幅度稳定性以及对过载饱和的敏感性等问题。雷达接收机的具体设计还跟应用背景、发射波形的形式、干扰(不希望的信号)的特性以及接收信号的处理方式等因素有关,1.1噪声及噪声系数,加性噪声、乘性噪声。白(色)噪声、有色噪声信道中加性噪声的来源的不同，般分为：无线电噪声：它来源于别的无线电发射机。工业噪声：来源于各种电气设备。自然噪声（天电噪声），指自然界存在的各种电磁波源。内部噪声。内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。按随机噪声的性质进行分类，可分为：单频噪声：连续波干扰，极窄的频带，但可以实测。脉冲噪声：无规则，持续时间短。频谱较宽。但频率越高，其频谱强度就越小。起伏噪声：以热噪声、散弹噪声及宇宙噪声为代表的噪声。在时域内还是在频域内它们总是普遍存在的。闪烁噪声：在低频段以1/f噪声为主，高频段以热噪声为主。原因是电流通过元器件中不连续点会产生火花，使电阻的电导率发生变化，从而引起电流噪声。,1.1噪声及噪声系数,起伏噪声：对于温度为T，阻值为R的有噪电阻，单边噪声电流功率谱密度和噪声电压功率谱密度分别为,(1.1-1),为玻尔兹曼常数，,T为热噪声源的绝对温度。可见，热噪声是白噪声。若把此有噪电阻产生的热噪声作为信号源，则当此信号源与其负载共轭匹配时，所能输出的最大噪声功率，称为该电阻热噪声源的资用噪声功率，或称额定噪声功率。为,其中,(1.1-2),1.1噪声及噪声系数,闪烁噪声：实际电阻，单边噪声电流功率谱密度和噪声电压功率谱密度分别为,式中K为常数，与电阻材料、制造工艺有关。,为流过电阻的直流电流。,由此可见，当电阻中没有直流电流通过时，电阻中就仅有热噪声，而不会有过剩噪声。故一个实际电阻在低频段以1/f噪声为主，高频段以热噪声为主。因此，从低噪声设计用途考虑，不仅要选闪烁噪声小的电阻，如线绕电阻、金属膜电阻等，而且要尽量减小电阻中的直流压降以减少低频噪声。,(1.1-3),1.1噪声及噪声系数,结型场效应管JFET(JunctionFET)和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)：这类器件是通过调制导电沟道的电阻来工作的。因此，在电阻性沟道中必然会产生热噪声。因为导电沟道的电阻值随外加偏压而变，故热噪声大小与偏压有关。除此之外，更为重要的是闪烁噪声，其功率谱密度为,W、L分别为沟道的宽度和长度，K是取决于工艺处理的常数,任何无损耗的纯电抗元件都是无噪声的。而对于有耗电抗元件，其损耗用电阻表示，此电阻产生的热噪声就是该有耗电抗元件的热噪声,为极间电容。,(1.1-4),1.1噪声及噪声系数,有噪的两端口网络分析模型,其内部噪声都可以由置于输入端的两个噪声源来等效：一个与信号源串联的噪声电压源和一个与信号源并联的噪声电流源，把该两端口网络看作一个理想无噪的网络。,其中,是信号电压,是信号源内阻,是输入端短路，网络的输出噪声功率等效到输入端的值。,是输入端开路，网络的输出噪声功率等效到输入端的值。,和,是相关的。,一般情况下，,图1.1-1,信号源与网络之间存在两种匹配：1、使传输功率最大的功率匹配。2、使系统噪声系数最小的最佳信号源内阻。,噪声系数：表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。与系统增益无关。,1.1噪声及噪声系数,对于图1.1-1所示的电路,假设：,和,是不相关的。其噪声系数为,可以求出使系统噪声系数最小的最佳信号源内阻为,(1.1-5),(1.1-6),(1.1-7),级联噪声系数,可见，前面几级的噪声系数和增益对系统影响较大。为降低系统的噪声系数，必须降低第一、二级电路的噪声系数并适当提高它们的增益，以降低后面各级的噪声对系统的影响。如果第一级没有增益，反而有损耗，对降低系统的噪声系数是不利的。,1.1噪声及噪声系数,(1.1-8),无源四端网络的噪声系数等于无源四端网络额定功率增益的倒数,灵敏度：是衡量系统接收微弱信号能力的技术指标。,基底噪声,基底噪声越大、或者要求的输出信噪比越高，为保证输出质量所要输入的信号最低电平就越高，即灵敏度越低。,根据噪声系数的定义：,在阻抗匹配的情况下，由源内阻产生的热噪声送给接收机的噪声功率为其额定功率，即有,此时对应于保证输出信噪比时所要求的最小输入信号功率就是接收机的灵敏度。,1.2灵敏度,取室温290K时：,(1.2-1),(1.2-2),1.3非线性,非线性：接收机的线性度是描述失真的技术指标。我们最希望的是输出随着输入以增益为倍数线性变化。根据输入信号的大小,一般可以用三种逼近方法来描述,1、用解析函数来描述器件的伏安特性，如双极型晶体管的集电极电流和输入电压的关系近似为,2、将器件的伏安特性在其工作点处用幂级数展开，如三极管共发射极放大器,3、当输入信号较大时，用分段折线来描述器件的非线性,n越大，,越小，且,其中,(1.3-1),(1.3-2),将器件的伏安特性在其工作点处用幂级数展开，通常取三项进行分析。此时有,1、谐波：设放大器输入端仅有单频余弦信号则输出为,当输入信号的幅度较小时，输出的高次谐波可以忽略。射频放大器一般都是频带放大器，这些谐波由于离基波较远，通常被滤出，因此谐波对放大器的影响不是太大。,可见，输出电流中不仅含有输入的有用分量，称为基波分量，而且出现了直流分量和各次谐波分量。,1.3非线性,(1.3-3),通常，平均跨导将随输入信号幅度的增大而减小，该现象叫增益压缩。,2、增益压缩随着输入信号的增大，电路的非线性特性不容忽视，此时电路的增益开始发生变化。已知信号的跨导为,使增益比线性放大器增益下降1dB所对应的输入信号的幅度值定义为1dB压缩点。,1.3非线性,(1.3-4),(1.3-5),3、阻塞：在强干扰信号的情况下，接收机的小信号增益会被干扰减小。若干扰信号大到使接收机的输出有用信号趋于零，则接收机收不到任何有用信号，此时称为阻塞。,设输入，第一项为有用信号，有用的输出为,当时，输出有用信号等于零，说明接收机被强干扰信号阻塞了。,实际上采用使基波信号下降3dB时的噪声信号输入电平来衡量减敏度：,当时，有用信号的平均跨导为,1.3非线性,(1.3-6),(1.3-7),(1.3-8),4、互调:在接收机输入端同时加入两个不同频率的有用信号，接收机输出端还可能会存在新的频率分量，该现象称为互相调制。通常用互调失真比IMR(IntermodulationRate)或三阶互调截点IP3(TheThirdInterceptPoint)来衡量。,设输入两个等幅信号,输出基波分量为,定义互调失真比IMR为某一输入信号幅度下，三阶互调分量的幅度与基波幅度之比。,输出三阶互调分量分别为：,1.3非线性,(1.3-12),(1.3-9),(1.3-10),(1.3-11),当时，上式近似为,(1.3-13),5、三阶截点:定义为三阶互调功率达到和基波功率相等的点。此点所对应的输入功率称为输入三阶截点(IIP3)，此点所对应的输出功率称为输出三阶截点(OIP3)。,输入三阶截点为,输出三阶截点为,则，互调失真比和三阶互调截点之间的关系为,1.3非线性,设输入三阶截点为，输入信号功率为,(1.3-14),(1.3-15),快速测量IP3的方法:设输入信号电平为，输出基波信号电平为，输出三阶互调分量的电平为,1.3非线性,由(1.3-10)和(1.3-11)得,将(1.3-14)代入上式，得,就是基波功率与三阶互调信号功率之比，且,故得,或者,6、多级非线性级联的三阶截点,主要取决于系统总增益和后级电路三阶截点。,1.3非线性,(1.3-16),理想无源元件的三阶截点很高，实际计算认为无穷大。,无杂散动态范围SFDR：用来描述接收机能够同时兼容大、小输入信号的能力。,SFDR下限由噪声基底决定,当带内的双音信号在输出端引起的三阶互调分量折合到输入端恰好等于基底噪声时，该双音信号的功率被规定为无杂散动态范围SFDR的上限。已知,当三阶截点增大，或噪声系数减小，或系统带宽减小时，无杂散动态范围SFDR都会增加。,1.4动态范围,(1.4-1),令,此时,阻塞动态范围BDR(BlockingDynamicRange)：用来描述接收机能够同时兼容大、小输入信号的能力。,BDR下限也由噪声基底决定,BDR的上限是1dB压缩点，故阻塞动态范围为,1.4动态范围,(1.4-2),由式(1.3-5)和(1.3-14)可得出1dB压