第4章微波收发技术噪声和接收机灵敏度本教育研究

1、微波通信技术微波通信技术第第4 4章章 微波通信中的收发技术微波通信中的收发技术主要内容主要内容基本知识：微波工程常用单位基本知识：微波工程常用单位和表示方法和表示方法无线系统体系构架无线系统体系构架系统的非线性和补偿措施系统的非线性和补偿措施系统的噪声和噪声系数系统的噪声和噪声系数系统的灵敏度和动态范围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的实现微波收发系统中的频率源技术微波收发系统中的频率源技术设计实例设计实例主要内容主要内容 引言引言 噪声的来源噪声的来源 噪声对微波通信系统的影响噪声对微波通信系统的影响 噪声系数的定义噪声系数的定义 级联系统的噪声系数级联系统的噪声系数

2、混频器的噪声系数混频器的噪声系数引言引言 在微波通信系统中，接收机要处理很微弱的信号，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。这些微弱信号。 灵敏度、灵敏度、ber、nf是表征系统处理微弱信号能是表征系统处理微弱信号能力的系统参数，其中力的系统参数，其中nf具有独特的作用，它不具有独特的作用，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。通过控制各个部件的个部件。通过控制各个部件的nf及增益，即可及增益，即可确定整个系统的确定整个系统的nf，从

3、而根据系统带宽来确定，从而根据系统带宽来确定系统的灵敏度，进而确定系统的系统的灵敏度，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噪声对微波通信系统的影响(2)噪声的来源噪声的来源 热噪声热噪声 导体内部电子的热运动和电子器件中的载流子的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不规则运动所产生的噪声. 各种干扰噪声各种干扰噪声 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。其它欣道的干扰所产生的噪声。 波形失真波形失真 传输设备的线性失真与非线性失真

4、所产生的噪声传输设备的线性失真与非线性失真所产生的噪声 外部噪声外部噪声 外部设备的电磁干扰、各种雷电和云层放电所辐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。所产生的噪声。热噪声的分析热噪声的分析rnaktbpn噪声功率随带宽的减小而减小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随温度的降低而降低噪声功率公式仅适应于噪声功率公式仅适应于1000ghz以下的频率以下的频率噪声系数的定义噪声系数的定义1anoutainoutoutoutiningbktngnnnsnsnf0 意义：意

5、义：信号通过二端口网络信号通过二端口网络(放大器放大器)后，由于器件本后，由于器件本身产生噪声，使信噪比变坏，使信噪比下降的身产生噪声，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。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噪声系数的定义2 输出端的噪声可分为两部分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由进入系统的外部噪声造成的 ninga 系统的内部附加噪声系统的内部附加噪声na pn=na+ningaananaainainagbktgbktngngnnnf00gain 20dbnf 10dbt = 290kon anp = na + nin gn

6、in at 290kimperfect amplifier degrades signal to noise ratio nanoise (in) x gain n in gnoise (in)噪声系数的定义噪声系数的定义3 利用等效噪声温度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等效噪声温度te来表示来表示则则na=kte fg同样同样nin=kt0 fg0000tttfgktfgktfgktnfeenf 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.5 2.0 3.0 4nf(db)

7、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 2.512te(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、有耗传输线等器、有耗传输线等 用损耗因子用损耗因子l来表示，来表示，ga=1/l0ttlf 室温下室温下 f=l (f

8、1，g1)为第一级放大器的噪声系数和增益为第一级放大器的噪声系数和增益 (f2，g2)为第二级放大器的噪声系数和增益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为级联后的系统噪声系数 g1,f1,bn g2,f2,bn 级联系统中的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级联系统中的噪声系数(2) g1,f1,bn g2,f2,bn kt0bn kt0bn kt0bng1 na1 kt0bng1g2 na1g2 na2 总附加功率 总噪声功率 210gfgbktnnout1011) 1(gbktfnna2022) 1(gbktfnna级联系统中的噪声系数级联系统中的

9、噪声系数(3)210gfgbktnnout210212ggbktgnnnnaaout2022) 1(gbktfnna1011) 1(gbktfnna1211gfff121213121.1.11nngggfggfgfff对n级级联系统噪声度量噪声度量 定义噪声度量标准定义噪声度量标准gfm/111 若若amp1（f1，g1），），amp2 （f2，g2） 若若m1m2，则，则amp2排在排在amp1前面，前面，f21f12 若若m2m1，则，则amp1排在排在amp2前面，前面，f12f21 amp1 f=2,g=10db, amp2 f=2，g=20db 则则m1=1.11111 ，m2=1.

10、05，因此，因此amp2排在排在amp1的前面的前面 f12=2+（2-1）/（1-10）=2.1 f21=2+（2-1）/（1-100）=2.01例子第第1级级nf对系统的影响对系统的影响 应合理地分配各级电路的噪声系数和增益应合理地分配各级电路的噪声系数和增益 在一定条件下在一定条件下,系统的噪声系数只取决于系系统的噪声系数只取决于系统的第统的第1级电路的噪声系数级电路的噪声系数)10(10)58. 1 (211dbgdbf)100(20)10(1012dbgdbf)48. 2(94. 30dbf )100(20)58. 1 (211dbgdbf)100(20)10(1012dbgdbf)

11、67. 1 (04. 20dbf il=2dbg=20dbnf=2dbcl=7dbg=30dbnf=6db计算接收机的总噪声系数计算接收机的总噪声系数主要内容主要内容基本知识：微波工程常用单位基本知识：微波工程常用单位和表示方法和表示方法无线系统体系构架无线系统体系构架系统的非线性和补偿措施系统的非线性和补偿措施系统的噪声和噪声系数系统的噪声和噪声系数系统的灵敏度和动态范围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的实现微波收发系统中的频率源技术微波收发系统中的频率源技术设计实例设计实例主要内容主要内容 灵敏度灵敏度 灵敏度的定义灵敏度的定义 灵敏度的定量表示灵敏度的定量表示 收信门

12、限电平收信门限电平 动态范围动态范围 动态范围的定义动态范围的定义 动态范围的定量表示动态范围的定量表示灵敏度的定义灵敏度的定义 在给定接收机解调器前所要求的输出信噪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比的条件下，接收机所能检测的最低输入信号电平。信号电平。 灵敏度与所要求的信号质量即输出信噪比灵敏度与所要求的信号质量即输出信噪比有关，还与接收机本身的噪声系数有关。有关，还与接收机本身的噪声系数有关。ooooinnpgngppmin,min,min, 设接收机天线的等效噪声温度为设接收机天线的等效噪声温度为ta，接收机的噪声，接收机的噪声系数为系数为f，功率

13、增益为，功率增益为g，带宽为，带宽为b。 设最低的可检测输入功率电平为设最低的可检测输入功率电平为pin,min，则，则 pin,min= pout,min/g 其中其中pout,min是经接收机放大后对应的最低可检测是经接收机放大后对应的最低可检测 输出功率。输出功率。接收机输出接收机输出总噪声功率总噪声功率灵敏度的定量表达式灵敏度的定量表达式(1)(1) no是天线噪声经放大后的输出与接收机内部附加噪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，即声的总合，即no=kbtag+na。 na可视为等效噪声温度为可视为等效噪声温度为te的天线噪声电阻经放大的天线噪声电阻经放大后在接收机输

14、出端呈现的噪声功率，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，由噪声系数的定义，f=1+te/t0，te = (f-1)t0 则则no=kbta+(f-1) t0g 而而 是所要求的最低输出信噪比，因是所要求的最低输出信噪比，因此灵敏度为此灵敏度为pin,min=kbta+(f-1) t0(snr)o,minmin,min,ooosnrnp灵敏度的定量表达式灵敏度的定量表达式(2)(2)灵敏度的定量表达式灵敏度的定量表达式(3)(3) 灵敏度用灵敏度用dbdb表示表示snrbhzdbmtftkdbmpain)log(10)/(1log10)(0min,系统的基底噪声系

15、统的基底噪声ft 当当ta=t0=290k时，基底噪声为时，基底噪声为)(log10)()/(114)(log10)()/(174)log(10)()/(log10)(0mhzbdbnfmhzdbmhzbdbnfhzdbmbdbnfhzdbmktdbm基底噪声灵敏度的定量表达式（灵敏度的定量表达式（4 4）snrhzbdbnfhzdbmdbmpin)(log10)()/(174)(min,结论：基底噪声与所要求的信噪比共同决定了输入灵敏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

16、量所要输越高（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。入的信号最低电平越高，即灵敏度低。例例 一低噪声放大器的增益为一低噪声放大器的增益为20db，噪声系，噪声系数为数为2db，假设其工作带宽为，假设其工作带宽为100mhz，问：该问：该lna的输出基底噪声是多少？的输出基底噪声是多少？dbmmhzbdbnfmhzdbmdbm82202114)100log(102114)(log10)()/(114)(基底噪声收信门限电平收信门限电平(1)(1) 根据调制方式、传输速率、根据调制方式、传输速率、berber门限可门限可确定通信系统的收信门限电平。确定通信系统的收信

17、门限电平。0421neerfcberbqam 过程如下：过程如下：1.1. 首先根据调制方式和首先根据调制方式和berber门限，求出对应的理门限，求出对应的理论归一化比特能量信噪比论归一化比特能量信噪比e eb b/ /n n0 0 mqammqam相干解调的相干解调的berbermlnellerfclllberb0221log3log10165283neerfcberbqam06471247neerfcberbqam收信门限电平收信门限电平(2)(2)2. 2. 根据调制方式确定系统的载噪比根据调制方式确定系统的载噪比c/nc/n这里考虑的噪声是接收机输入端的总的白噪声，包括这里考虑的噪声

18、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。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。代表接收机输入端单边带噪声功率谱密度。对理想信道，可取对理想信道，可取fs=b，对于基带具有余弦滚降特性，对于基带具有余弦滚降特性的频带传输系统，的频带传输系统，b=（1+）.fs0000/ktnntecbfnebktnpncfssssfr收信门限电平收信门限电平(3)(3) 当当b=fs时，时，mnenencbs200log3. 3. 根据调制方式和传输速率确定等效噪声带宽根据调制方式和传输速率确

19、定等效噪声带宽)1 (log2mffbbb4. 4. 根据灵敏度的计算公式即可确定在某噪声系数下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的收信门限电平 某通信系统的调制方式为某通信系统的调制方式为64qam调制，经相调制，经相干解调，干解调，ber与归一化信噪比的关系为与归一化信噪比的关系为06471247neerfcberbqam 当系统当系统ber=210-5，nf=2db,通信速率为通信速率为155mbps时，系统的收信门限电平？时，系统的收信门限电平？计算收信门限电平的例题计算收信门限电平的例题(1)(1)计算收信门限电平的例题计算收信门限电平的例题(2)(2) 1）根

20、据）根据ber与与eb/n0的公式，当的公式，当ber=210-5时时 eb/n0=17.4db，则，则c/n=eb/n0+10log(log264)= 17.4+7.8=25.2db 2）等效噪声带宽）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，可以直接利用注意：如果不考虑余弦滚降系数，可以直接利用eb/n0eb/n0、传输速率和噪声系数等参数计算收信门限、传输速率和噪声系数等参数计算收信门限电平。电平。prt=-114+nf+10log(fb) (mhz)+

21、eb/n0动态范围动态范围(1)(1) 接收机（特别是移动接收机）所接收的信号强弱接收机（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。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。的上限由最大可接受的信

22、号失真决定。动态范围的定义动态范围的定义(2)(2) 1) 对功率放大器常用线性动态范围的概念对功率放大器常用线性动态范围的概念(linear dynamic range)。 定义为：定义为：产生产生1db压缩点的输入信号电平与灵敏压缩点的输入信号电平与灵敏度或（或噪声基底之比）度或（或噪声基底之比） 2) 对对lna和混频器则常用无杂散动态范围的概念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，即下限输入信号为灵敏度（或下限为噪声基底），上限为入信号为灵敏度（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在输出端

23、引起的三阶交调失真分量po3等于最小可等于最小可检测电平，折合到到输入端，恰好等于输入信号检测电平，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），为灵敏度（或下限为噪声基底）， 即即pin,max=ft/gp。动态范围的定义动态范围的定义(3)(3) sfdr=pin,max/pin,min 1）根据噪声基底和根据噪声基底和snrmin可以求出可以求出pin,min 2）根据噪声基底和根据噪声基底和iip3可以求出可以求出pin,max2333313331)(iipggiipppppgppgpppinoopoinpoin323max,33max,23333max,tinpoin

24、ppofiippfgppiipgpgpin动态范围的定义动态范围的定义(4)(4)dbsnrffiipsfdrottmin,3231 以灵敏度作为下限定义以灵敏度作为下限定义sfdr时，时，dbfiipsfdrt332 以噪声基底为下限定义以噪声基底为下限定义sfdr时，时， 例题例题 已知某接收机解调前的射频子系统的的噪声系数是已知某接收机解调前的射频子系统的的噪声系数是nf=5db，三阶交调截获点为，三阶交调截获点为-10dbm,系统的带宽系统的带宽b=10mhz，天线的等效噪声温度为，天线的等效噪声温度为t0，解调器要求，解调器要求输入的信噪比为输入的信噪比为snro,min为为12db

25、，求此系统的无杂散，求此系统的无杂散动态范围。动态范围。 dbdbdbsnrffiipsfdrott3 .471299992031231min,3 解 ft=-174dbm/hz+nf(db)+10logb =-174+5+70=-99dbm主要内容主要内容基本知识：微波工程常用单位基本知识：微波工程常用单位和表示方法和表示方法无线系统体系构架无线系统体系构架系统的非线性和补偿措施系统的非线性和补偿措施系统的噪声和噪声系数系统的噪声和噪声系数系统的灵敏度和动态范围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的实现微波收发系统中的频率源技术微波收发系统中的频率源技术设计实例设计实例微波收

26、发系统的实现微波收发系统的实现 对微波收发系统的要求对微波收发系统的要求 微波发射机的实现微波发射机的实现 发射机的主要技术指标发射机的主要技术指标 微波接收机的实现微波接收机的实现 接收机的主要技术指标接收机的主要技术指标 一些典型系统的实现框图一些典型系统的实现框图 收发系统中的关键部件收发系统中的关键部件微波收发系统的组成微波收发系统的组成频分系统的射频框图频分系统的射频框图 pll#1 ref pll#3 micro controller rssi 8 v lin reg dc/dc converter vga 50db dynamic range from idu to idu pl

27、l#3 to antenna 接收机和发射机的射频部分应解决的问题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信机的射频主要技术指标 发射频率发射频率 发射频率准确度、稳定度发射频率准确度、稳定度 发射功率发射功率

28、 发射机带宽发射机带宽 发射机幅频特性发射机幅频特性 杂散抑制度、谐波抑制度杂散抑制度、谐波抑制度 非线性指标（非线性指标（ 1db压缩点、三阶交调）压缩点、三阶交调） 相位噪声相位噪声发射频率发射频率 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准确度=fx-f0f0频率源的实频率源的实际输出频率际输出频率频率源的频率源的标称值标称值频率准确度：实际频率和标称值的差比标称值。发射功率发射功率链路预算（通信距离、频率、接收机灵敏度、收发天线）链路预算（通信距离、频率、接收机灵敏度、收发天线） 衰落储备衰落储备功放效率和系统功耗要求功放效率和系统功耗

29、要求发射机带宽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发射机幅频特性杂散抑制度杂散抑制度谐波抑制度谐波抑制度非线性参数非线性参数-30功率输入（dbm）0-40-30-20-1010203040二阶互调（斜率=2db/db）三阶截点20功率输出（dbm）-20-1001030三阶互调（斜率=3db/db）1db压缩饱和输出功率线性增益（斜率=1db/db）相位噪声相位噪声来源来源ov (t) = a + e(t) sin 2 f t + (t)owheree(t) = random amplitude fluctuations (t) = random phas

30、e fluctuations 4 24 v (t) e(t) (t) wherea = nominal amplitudeof = nominal frequencyo 4 24 v (t) v(t) = a sin 2 f to o相位噪声指标的定义相位噪声指标的定义f0ff0- fmf0+ fm1hz带宽f0f理想频谱理想频谱实际频谱实际频谱普通普通vco的相位噪声特性的相位噪声特性cro的相位噪声特性的相位噪声特性相位噪声和相位抖动的关系相位噪声和相位抖动的关系a bs radhz2degreess (f)abphase jitter = 3602 rads (f)abphase jit

31、ter = = db relative to 1 radrms phase jitter = total rms phase deviation within a specified bandwidth相位噪声和寄生调频的关系相位噪声和寄生调频的关系a bsradhz2hzf s (f)df2abresidual fm = = s (f)dfabresidual fm = total rms frequency deviation within a specified bandwidth相位噪声对通信系统的影响相位噪声对通信系统的影响phase noiseamplitude noise频率稳定

32、度频率稳定度fx-f0f0频率源的实频率源的实际输出频率际输出频率频率源的频率源的标称值标称值max频率稳定度：在一定时间范围内频率稳定度：在一定时间范围内( ( t) ) 频率准确度变化频率准确度变化频率稳定度类型频率稳定度类型 长期频率稳定度长期频率稳定度 t1t1天天 取决于电源元件和取决于电源元件和有源器件的老化特有源器件的老化特性。性。 短期频率稳定度短期频率稳定度 t1t1天天 取决于温度变化、取决于温度变化、电压变化和电路电压变化和电路参数的不稳定。参数的不稳定。 瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度 t1t1秒秒由振荡器的内部噪由振荡器的内部噪声导致的频率起伏声导致的频率起伏个测量数据

33、的平均值为次所测的频率稳定度为第为测量次数nffiffnffffniniin0012001阿仑方差阿仑方差 阿仑方差定义为阿仑方差定义为niiinyfffn121220211)(lim每次测每次测量的取量的取样时间样时间标称标称频率频率第第2 2i i次次测量的测量的频率值频率值第第1 1i i次测次测量的频率量的频率值值测量方法：取样时间测量方法：取样时间 ，测定，测定 时的平均频率时的平均频率f f1 1i i，然后无间隙，然后无间隙地测量另一个取样时间地测量另一个取样时间 的平的平均频率均频率f f2 2i i，将，将( (f f1 1i i , ,f f2 2i i) )作为作为第第i

34、 i组数据，共取组数据，共取n n组。组。阿仑稳定度：阿仑稳定度：s(t)=s(t)= y y(t)/(t)/f f0 0发射机主要组成部件发射机主要组成部件 正交调制器正交调制器 上变频器上变频器 本振频率源本振频率源 功率放大器功率放大器 滤波器、双工器滤波器、双工器 微波开关微波开关正交调制器正交调制器 /2载波载波i:q:iq上变频器上变频器主要技术指标：主要技术指标：rfrf工作频率工作频率lolo工作频率工作频率ifif工作频率工作频率变频损耗变频损耗lo/rflo/rf隔离隔离lo/iflo/if隔离隔离 rf/ifrf/if隔离隔离三阶交调系数三阶交调系数imim3 3p p1

35、db1db(input)(input)ipip3 3(input)(input)常用的上变频器：常用的上变频器： 变容管上变频器变容管上变频器 功率容量大功率容量大 变频损耗小变频损耗小 有一定的功率增益有一定的功率增益 晶体管上变频器晶体管上变频器 变频增益小变频增益小 本振功率小本振功率小 肖特基二极管肖特基二极管 功率容量小功率容量小 变频损耗较大变频损耗较大上变频寄生信号图上变频寄生信号图1.522.531919.52020.5ska2（2/20ghz）上变频混频杂波分析if输入频率（ghz）rf输出频率（ghz）本振频率源本振频率源频率源的主要技术指标频率源的主要技术指标 频率稳定度

36、频率稳定度 频率准确度频率准确度 杂散电平杂散电平 谐波电平谐波电平 调制线性调制线性 频率牵引系数频率牵引系数 推频系数推频系数 漂移系数漂移系数 输出功率稳定度输出功率稳定度频率源的主要实现方式频率源的主要实现方式 介质稳频振荡器介质稳频振荡器 倍频链式频率源倍频链式频率源 锁相频率源锁相频率源pllpll频率源频率源ddsdds频率源频率源pll+ddspll+dds频率源频率源滤波器的基本概念滤波器的基本概念定义定义 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。理想特性为件。理想特性为: 允许某一频率段允许某一频率段, 如

37、如f1f2= b通过，而抑制其余通过，而抑制其余频率段频率段ff2 ,即不许它们通过即不许它们通过(f2 f1)。 分类分类(按性能指标按性能指标)低通滤波器：低通滤波器： f1=0,即即0 f2的频率允许通过，高于的频率允许通过，高于f2的频率被抑制；的频率被抑制；高通滤波器：高通滤波器：f2=，f1的频率允许通过，低于的频率允许通过，低于f1的频率的频率(0 f1)被抑制；被抑制；带通滤波器：带通滤波器：f1f2的频率允许通过，低于的频率允许通过，低于f1的频率（的频率（0 f1）被抑）被抑制，高于制，高于f2的频率（的频率（f2）被抑制；）被抑制；带阻滤波器：带阻滤波器：f1f2的频率不

38、允许通过，低于的频率不允许通过，低于f1的频率（的频率（0 f1）允）允许通过，高于许通过，高于f2的频率（的频率（f2）允许通过）允许通过 (示意图与示意图与“带通带通”类似，类似，“带通带通”时的通带与为时的通带与为“带阻带阻”的阻带的阻带)。滤波器的基本概念滤波器的基本概念(cont)lpfhpfbpf滤波器的基本概念滤波器的基本概念(cont)工作原理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。反射衰减，由此实现信号频谱过滤功能。滤波器的主要参数滤波器的主要参数1. 中心频率中心频率

39、 滤波器通带的中心频率滤波器通带的中心频率fo,一般取一般取fo=(f1+f2)/2, 窄窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。 2. 通带带宽通带带宽(bwxdb) 指需要通过的频谱宽度指需要通过的频谱宽度, bwxdb=(f2-f1)。 f1、f2为以中心频率为以中心频率fo处插入损耗为基准，下降处插入损耗为基准，下降x(db)处对应处对应的左、右边频点。通常用的左、右边频点。通常用x=3、1、0.5即即bw3db、bw1db、bw0.5db表征滤波器通带带宽参数表征滤波器通带带宽参数(低通、高通则以低通、高通则以x db截止截止频率

40、频率fxdb来表征通带宽度来表征通带宽度)。通带相对带宽通带相对带宽bw3db/fo100%亦经常用来表征滤波器通带带亦经常用来表征滤波器通带带宽。宽。 滤波器的基本概念滤波器的基本概念(cont)3. 中心插损中心插损(il) 滤波器传输中心频率时引入的损耗值滤波器传输中心频率时引入的损耗值(db)。4. 带内驻波比带内驻波比(vswr) 衡量滤波器通带内信号是否良好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。理想匹配匹配传输的一项重要指标。理想匹配vswr=1:1，失，失配时配时vswr1:1。对于一个实际的滤波器而言，满足对于一个实际的滤波器而言，满足vswr1)，kxdb=bw

41、xdb/bw3db，(x可为可为40db、30db、20db等。滤波器节数越多矩形度越高等。滤波器节数越多矩形度越高即即k越接近理越接近理想值想值1，制作难度当然也就越大。，制作难度当然也就越大。7. 带内相位线性偏离带内相位线性偏离 该指标表征滤波器对通带内传输信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。相位线性度要求越高，滤波器号引入的相位失真大小。相位线性度要求越高，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。相信号时才被重点提出。 滤波器的基本概念滤波器的基本概念(cont) 滤波器的传输函数滤波

42、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。而往往用一些其他函数加以近似。 1. 巴特沃斯巴特沃斯(butterworth)函数函数 插损插损il=10log(1+2n)，该响应函数阻带下降较为缓慢且，该响应函数阻带下降较为缓慢且仅在仅在=0处处il=0。il随随增加单调上升。在直流增加单调上升。在直流(对带通对带通而言则为中心频率而言则为中心频率)附近有很小的回波损耗。又称其为附近有很小的回波损耗。又称其为最大平坦型。最大平坦型。注：注：并不关注带内的时延和相位相应特性。并不关注带内的时延和相位相应特

43、性。滤波器的基本概念滤波器的基本概念(cont)2. 切比雪夫切比雪夫(chebyshev)函数函数il=10log(1+2tn2()， 其中其中tn2()=cos(n*cos-1(), |1; =cosh(n*cosh-1(),|1 。 由此可知在由此可知在=0时时il=0或或10log(1+2)=ap 。在。在|1范范围内分布着围内分布着n个理想传输个理想传输(il=0)点，并以点，并以ap作等纹波波作等纹波波动动(值决定波动大小值决定波动大小)。不过对谐振电路。不过对谐振电路q值不是很高值不是很高的滤波器的滤波器(如如lc滤波器及一些窄带滤波情形滤波器及一些窄带滤波情形)而言，此而言，此

44、波动往往变得模糊甚至被波动往往变得模糊甚至被“淹没淹没”。|1时时il单调上单调上升且较最大平坦型快。升且较最大平坦型快。滤波器的基本概念滤波器的基本概念(cont)3. 椭圆函数椭圆函数(elliptic)butterworth , chebyshev函数均为全极响应函数，即函数均为全极响应函数，即传输零点位于传输零点位于dc及及处。椭圆函数具有有限频率传处。椭圆函数具有有限频率传输零点，大大提高了阻带陡峭度，该类响应函数滤波输零点，大大提高了阻带陡峭度，该类响应函数滤波器阻带不象全极点滤波器那样单调下降而是有波动，器阻带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

45、比拟的阻带陡峭度。但通带近处具有全极点滤波器不可比拟的阻带陡峭度。注：注：椭圆函数具有较差的相位响应和瞬间响应特性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滤波器的基本概念(cont)4. 高斯类函数高斯类函数(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性相位传输特性都较差，比较明显地表现在通带边沿延迟迟“振铃振铃”畸变剧烈，且随节数增多而加剧。理想线性畸变剧烈，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，信号经过它相位滤波器的带内延迟应

46、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：最大平坦时延性相位传输特性的近似，它包括：最大平坦时延(即即bessel函数函数)、gaussian函数、函数、linear phase error等，这等，这些响应函数具有良好的延时平坦度些响应函数具有良好的延时平坦度(即传输相位线性度即传输相位线性度高高)，但幅频选择性远劣于，但幅频选择性远劣于butterworth、chebyshev，更不如更不如elliptic函数响应函数响应。滤波器的基本概念滤波器的基本概念滤波器结构形式滤波器结构形

47、式 按谐振子的实现方式分为按谐振子的实现方式分为集总元件、分布参数集总元件、分布参数滤波器滤波器两种。两种。分布参数分布参数又分为又分为印制版电路印制版电路(微带、悬置微带微带、悬置微带线线)、机械腔体、介质谐振子、机械腔体、介质谐振子等形式等形式。 集总集总(lc)滤波器滤波器 适于适于3ghz以下应用，该类滤波器运以下应用，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有很小的体积、便于安装的结构且无寄生通带(或很或很远远)，同时具有设计灵活、研制周期短，同时具有设计灵活、研制周期短(小批量研

48、制最小批量研制最短可在短可在1周或周或3天以内天以内)等优点。但由于集总电感元件等优点。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得很窄(一般一般3%)，限制了其在有低插损、高矩形度、，限制了其在有低插损、高矩形度、窄带、大功率等要求场合下的应用。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的基本概念滤波器结构形式滤波器结构形式 介质滤波器介质滤波器 介质谐振器介质谐振器q值一般为集总元件的值一般为集总元件的23倍倍(tem模模)或或1020倍倍(te01模模)，从而使该类滤波器能够实现窄带滤波，从而使该类滤

49、波器能够实现窄带滤波(1%至至1)。但寄生通带较近。但寄生通带较近(tem模约为模约为2fo，te01模约模约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。制同时又须有较小体积的场合。 腔体滤波器腔体滤波器 谐振子全部由机械结构组成使其具有相当高的谐振子全部由机械结构组成使其具有相当高的q值值(数千甚至上万数千甚至上万)，非常适于要求低插入损耗，非常适于要求低插入损耗(1db)、窄带、窄带(1%)、大功率、大功率(可达可达300w或更高或更高)传输等应用场合。该类滤传输等应用场合。该类滤波器具有较大体积且有

50、寄生通带，加工成本较高，生产周期波器具有较大体积且有寄生通带，加工成本较高，生产周期一般为一般为46周。周。 印制版电路滤波器印制版电路滤波器 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。尤其在时广泛应用。尤其在3ghz以上总体性能优于以上总体性能优于lc滤波器。滤波器。滤波器的基本概念滤波器的基本概念如何发挥最佳性能如何发挥最佳性能 滤波器是反射型器滤波器是反射型器(部部)件件, 能否充分发挥滤波性能的关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键为端口阻抗匹配、良好的微波接地及防止空间信号串绕。串绕。 端口阻抗匹配不仅包括

51、通带内，同时阻带反射性能也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。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。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可能的串绕信道采取隔波效果。必须尽量对周围空间可能的串绕信道采取隔断措施。断措施。 滤波器的性能滤波器的性能类型类型工作频率工作频率3db相对带宽相对带宽lc滤波器滤波器23000mhz3100%介质滤波器介质滤波器3003900mhz17%介质腔体滤波器介质腔体滤波器150014000mhz0.10.6%梳状腔体滤波器梳状腔体滤波器40010