通信射频电路系统噪声和非线性讲解

1、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'科域土学无线通信收发机R F前端结构示意图电3科城土学噪声一限制了系统所能处理的最低信号电平 非线性失真一限制了系统所能处理的最高电平本章主要内容:一.噪声1 .起伏噪声的基本特性2 .电子器件内部噪声的来源及等效电路3 .衡量噪声性能的指标：噪声系数与等效噪声温度二.非线性1 .非彘性器件的描述方法2 .器件非线性对线性放大器的影响及衡量指标3 .非线性器件在频谱搬移中的应用电3科城土学&1.1基础知识一、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之V（t>V0Sin（to

2、 fot+e 0）= VoSin（0（t）V。为正弦时变信号的峰值（电压） 名为正弦时变信号的频率（Hz）e 0为正弦时变信号的初始相位（弧度） 为正弦时变信号的相角二、调制信号在实际通信系统中v（t）称为载波信号，其 场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（V。，f0, 0。）.实现通信（信息传输）需将信息一基 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、复合调制源1 .对V。进行调制（AM/ASK） 中波广播2 .对进行调制（FM /FSK）

3、超短波调频广播3 .对6。或（t）进行调制（CPM/MPSK/MSK/GMSK,间接调频）GPS, GSM, PLRS4 .复合调制一对二个以上参量同时进行调制 （AM+OM, QAM）短波SSB通信,WLAN信息论香农（C. E. Shannon）信息容量极限理论l=B logl+S/N）或 l=3.32 Blogio（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）！香农公式可改写为：BIog2（l + S/N）从而可确定一个通信系统在确定的信噪

4、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。香农公式还可改写为：S/N = 2-1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q /五、通信带宽B (BW)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，其带宽就愈区二六、信噪比信号噪声功率比一信噪比

5、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)P”是指落入通信通带范围内噪声的总功率。SNR=101og10(Ps/Pn) dB噪声功率积分得到，其可通过实际测量得到。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&L 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电3科坡丈学C.电路与系统的噪声效应降低信号的信噪比；降低接收机

6、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 等效噪声带宽起伏噪声的特点(以电阻热噪声为例)：一.起伏噪声随机性、电流脉冲持续时间短、平均值为零 描述起伏噪声的几个重要概念：(1)频谱极宽，几乎占据整个无线电频段(2)功率谱密度S单位：dBm/Hzf2频带寸=力-工内的功率：办=JSv(/)"/I 4电压功率谱密度sv(/)>v； = 15v(n#噪声电压均方值V,2a Si噪声电流均方值/； 一 电流功率谱密度S") 一gs,(f)df /|和V：代

7、表单位电阻上的功率=fz白噪声：S(f)是常数 I; = Js”)df = S,jdf = S,(f2-fl)(3)等效噪声带宽声通过线性系统/l输入功率谱密度 s系统传递函数 输出功率谱密度/iS")HU)S")s.SS")= s,s囚 白噪声通过线性系统 4-00+<X>等效噪声带宽定义B _ 0""H2(/o)系统总输出噪声二.电路器件的噪声（-）电阻的热噪声及等效电路电流 S, =4kT-1 .功率谱密度/ 一电压 Sv = S,R2 = 4kTR有噪电阻白噪声2.等效电路 串联无噪电阻R串噪声电压源万 并联无噪电阻R并噪声

8、电流源E（无噪）d）V； =4kTRB =4kT-B（B为系统带宽）R无噪e占科坡丈学3.有噪电阻的串并联条件：噪声源与系统匹配与噪声源电阻R大小无关特点与噪声源温度有关封坡丈学（二）双极型晶体管的噪声1 .基区电阻K热噪声吸"白噪声2.散粒噪声功率谱密度S/ =3.噪声等效电路'凡小$O已=2“ 8兄=2 V = AkT.B（三）场效应管的噪声1 .沟道电阻热噪声 一S, =4Z72g”。2.噪声等效电路 屋女丁加排3.闪烁噪声f噪声又二布"封坡丈学（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串联噪声电压源 并联噪声电

9、流源等效有噪电路无噪 电路输入端短路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值 输入端开路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值电3省坡丈学 tome - Mm例1：如图所示，场效应管放大器的场效应管输出噪声电流为负载电阻人的热噪声匕九求：该放大器对应的等效输入噪声源 吟和匕Ri解：（1）首先求放大器的增益放大器交流等效电路如图示,无噪电路电压增益4=vi vi（2）求放大器总输出噪声VL = Vn.RL + 1；D Rl（3）求等效输入噪声电压源V；输入端短路 此时输出噪声均由V2产生，则: V2 V2 + 2 r2 v2y/2 = 2 =匕，.网 + 9dKl =/此 +由 SMJ R

10、汨n.D（4）求等效输入噪声电流源I：不考虑、 负载噪击输入端开路此时输出端的噪声均由彳产生:（/；|Zj2）A；=（/；|Z）（g,/J=t2。不考虑.广 负载噪声”2 DV2和I2是相关的 nn电占科坡丈学- 1KM0V - CMm三.噪声系数1.噪声系数定义(SNR)有噪网络(SNR),NF(dB) = TUbgF2.噪声系数与等效输入噪声源的关系输出信噪比（SRN）。电占科坡丈学-I0WW - 1KM0V - CMmF _ SNR, _ PJW /SNR。 PJNo信号源Vs r输入信噪比（SRN）j外输入噪声源区T'输出噪声功率内部噪声源V2和I; Y信号源匕一输出信号功率(

11、SNR), = 6 +(匕+/&)2 = 1 + 石/瓦7(SNR)O逅4kTRBa对噪声系数的理解f（snr） （匕+ /£）2（SNR）, AkT&B有噪网络的噪声系数一定大于1口噪声系数与网络内部噪声大小有关口网络的噪声系数与外部源噪声有关与源噪声温度T有关>测量噪声系数时，规定标准噪声温度To=29Ok与源内阻R有关噪声匹配一噪声系数最小一最佳源内阻例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：根据公式尸二（SNR）f 二喷+（仁&尸= 1 （匕+ /氏）2（SNR）。4kTRsB一个网络的噪声系数又可以表示为%+ （匕+ /&am

12、p;）2 琮+ （匕+ /&f人：其中V；out网络总输出噪声电压均方值Ay该网络的电压增益 nortwlt taw - CMm该网络的电压增益为：Av =等效噪声电路如图在带宽BV；. = u's +【；Q（Rs R。）= 4kT（Rs/RJB根据噪声系数定义有:p _ 4kT（Rs Ro）B x（Rs + R。）2 = + RsAkTRB &- 瓦结论：&大，噪声系数小，与功率最大传输一共扼匹配不同3.无源有耗网络的噪声系数 分析条件：输入、输出端均匹配 已知：无源有耗网络的损耗为L带宽为8Rs%。无源有耗<=R。信号源内阻Rs产生的额定噪声功率为 N

13、'八=kTB 输出电阻R。产生的额定噪声功率为 NoA = kTB根据噪声系数的定义NFNiA _' _1P°Na Gp Gp结论：无源有耗网络的噪声系数在数值上等于它的损耗四.等效噪声温度1.等效噪声温度定义条件：有噪线性网络、产生白噪声、匹配定义：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7；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N内=kTg2.等效噪声温度与噪声系数的关系已知条件：网络带宽8、 源端匹配信号源输入噪声为：设网络为无噪，总输入噪声为N=k（T0+Te）B总输出噪声为 N, =Gpk（To+L）B由噪声系数定义PJW

14、_ PJkTqBP/N： GpPJGpk（T°+Te）B或7；=（厂 1）£）五.多级线性网络级联的噪声系数已知：各级间均匹配，带宽均为B 额定功率增益、噪声系数 等效噪声温度求：总噪声系数F、等效噪声温度T.第一级输入噪声功率Ni=kT°B第一级的输出噪声功率是M =G,%#7；卢+ Gz%/7；田第二级输出噪声功率是：N <,=。/>八2乂 + G pAzkT9B =。"。叽3/ + & +两级总的输出噪声功率又可表示为 No=GPAlGPA2kB（T（）+Te）所以（=&+尹多级线性网络级联总噪声系数4=&+今+

15、结论：1 .系统前级、特别是第一级的噪声系数对系统影响最大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例3：两级级连电路，NFl=2dB, Gpl=12dB, NF2=6dB, Gp2=10dB,求总的噪声系数NF0解& Fx =1.59,入=4Gr=15.9, Gp2 = 10p -14-1F = F+=15-9 + - = 1.77915.9NF = 10lgF = 2.5dB&1. 3无线通信系统非线性及效应一.非线性器件的描述方法非线性器件大信号时会引起失真能完成频谱搬移各种功能1.非线性器件的描述方法一一描述器件的伏安特性电占科域土学(1).用解析函数描述双

16、曲正切函数VRE(2),寨级数描述偏置匕皿 决定工作点一>在工作点处将伏安特性/右/一券 展开为塞级数=。0 +( VBE Vbeq ) + “2( %£ Vbeq ) +%(% -嗑qN+代入V BE =匕+ Vbeq.2 .3 . N 、J = a。+q 匕 +。2 匕 +3 匕 h aN Vi 特点：。匕 呈非线性 1 a(w)<.系数与工作点有关L N!二誓22cos cotcos 3cot dcos 5cot37r5tt 三差分放大器(匕0) (v,<0)0/。444S)(勿 t) = S(g t) - Si ( t + 7T)= coscotcos3&a

17、mp; 十 二-3万力2.线性化参数适用条件：输入为小信号输入：匕(r)=匕 cosg"输出：lC =&+%(% - /EQ)二静态电流lCQ = 6/0 = 513信号电流is = q匕=ayim coscof线性电路不产生新的频率线性化参数一跨导，=心 一仅与工作点有关放大器增益”叫4 =二卷" = -g R,' V V匕 L与信号大小无关JmibedB与dBm/自然表示a dB某些量的两种表示（d耳表示电压增益 4 =5 4=201og5用可 功率增益 J=25 Gp = 101og25，14d8 注意 dB表示的量是无量纲的，是比修。电压比的系数是2

18、0,功率比是10噪声系数F=4功率比 一NF = lOlog4 = 6dB当输入输出阻抗相同时，g=与否 pi Vj / R, V.用dB表示的功率增益、电压增益数值相同b. dBm与dBmVdB（功率） lOlog-dBWlOloga LOWdBm10 log- i.OmWdB （电压） V20 log hdBVV20 log1.0VdBmVv20 log .0mVV20 logdBpV注意 dBm对应功率dBmV对应电压一表示的量有单位电压、功率的系数不同电3封坡土学采用dB的优点将乘法运算变为加法Gp = Gpi x Gp、= 25 x 25 = 625Gp = Gpl (dB) + G

19、p2(dB) = 14 + 14 = 28dB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dBdB与dBm间可加减，结果为dBmPj Gp PoP°=GpxP, > P (dBm) = Gp(dB) + PdBm)2 3封坡土学二.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八皿*'十二、4人1只有一个有用信号输入 分两种情况讨论L'有两个以上输入研究内容一一出现的现象、名称定义、衡量性能的指标。DNWBk- CttM1.输入端仅有一个有用信号（1） .谐波（harmonics）放大器输入 匕=匕,"cosgfV

20、he = V侬+匕输出电流K)+23Nlc =0 + q匕 + 2匕 + a3Vi 1* aNVi + 一Z5(r) = Ciyim cos。/ +g匕j COS2 %，+%： cos3 %，+,3ci(i+(aVim + a3VinJCOSa>i, + q Vj： COS2G/ + 才匕；COS3q/ + 产生的原因一一器件非线性、信号幅度大现象:出现了谐波大小一一与系数有关一一与工作点有关影响一一高次谐波被选频回路滤除Mv«e> DnWbii- cnm(2) .增益压缩(Gain Compression)特点：考虑对基波分量的影响（只考虑到三次方 输出电流：1=% +

21、,匕+%匕2 +/匕3 +N匕N + 基波信号电流：33G =（4匕匕j）cosQ/ = （q +：/&»«）44基波信号电流幅度：% =卬匕”+?4匕：j3平均跨导：？,” =廿=% + 7%匕：Vm4基波信号电流：SI = gnYnn COS0J基波增益：A =匕"=4& =豆旦-y VLimini电占科坡土学线性基波电流 (VI =1匕 COS (Dfdic I跨导时而 一8be鼠=勿£0仅与放大器工作点有关增益 A. = 4 常数非线性3、%=3+彳匕；)匕, cos卬 、失真项8in =萍=外匕；Vm4不仅与工作点有关而且与输入

22、信号幅度有关一39A.=g,&=(%+1aM3公39Av=(a-a3VRL增益压缩当由 V 0时，放大器增益随信号增大而减小线性增益匕“ dBmV)=匕“(的科)+ Av(dB)增益压缩指标一一1dB压缩点匕“dBmV)=匕 (dBmV) + 4(dB)-1增益1dB压缩点计算:39201ogl(2l +工3匕2一146 l=201oglq I dBVim-ldBVjidB与器件类型和放大器工作点有关2.输入端有两个以上信号设输入两个信号：匕=匕,” cos。，+ V2ffl cos%，由于非线性ic=a0+,匕+ %匕2 + %/ +。匕”+结果：出现基波叼、co2谐波叼、q%一一被选频回路滤除组合频率|p必土q/21一一在基频附近的无法滤除(p + q = N)问题：对基波输出有什么影响?基波分量：，=（勺乙（仅考虑到三次方） +（4匕，二次方产生的组合频率3 5 3>n 匕匕3 3a a 3-43-4 + +3,+ cos 叼 f3,一。2匕,匕？ COS（0 +。2"+%匕7匕用 COS（0 -