编考 实验 题第七章多媒体课件【新教材】改1

第七章模拟通信系统设计模拟通信系统分析设计中的三个主要问题：（1）调制性能分析与设计（方式选择）（2）发射系统设计（效率、匹配问题）（3）接收系统设计（抗噪声性能、接收性能分析）7.1模拟AM与FM系统抗噪声性能分析BPF解调器BPF解调器且有为了衡量不同调制解调系统抗噪声性能，定义一个系统指标：调制制度增益7.1.1AM系统抗噪声性能根据推导（见教材P193-195），可得：1．DSB-AM系统：2．SSB-AM系统：上述结果是推导中SBB信号仅取了DSB的一个边带，故其平均功率减少了一半，如果两种系统的解调器输入为同样的信号功率和噪声功率，则二者的调制制度增益是相同的，因二者使用的都是同步检波器。3．普通AM系统：在检波器输入信噪比情况下，有：结论：DSB-SC的AM系统与SBB-SC的AM系统具有相同的抗噪声性能；普通AM系统的抗噪声性能在模拟系统中是最差的。7.1.2FM系统抗噪声性能限幅限幅BPF鉴频器LPF均具有理想矩形滤波特性的BPF的带宽Bf刚好等于FM波带宽2(mf+1)fm；均具有理想矩形滤波特性的LPF带宽B为fm；鉴频采用“理想微分后取幅度包络”的算法；信道噪声为高斯白噪声，单边功率谱密度。问题：为什么FM系统具有远大于AM系统的调制制度增益？现以单音调制为例说明。[1]调制制度增益描述了某种调制信号经过解调后，信噪比的改善程度，信噪比的改善与信号带宽变化有很大关系。●AM波在其解调器输入端的中频信号带宽为：●AM波在其解调器输出端的基带信号带宽为：解调前、后的带宽变化比为2。●FM波在其解调器输入端的中频信号带宽为：●FM波在其解调器输出端的基带信号带宽为：解调前、后的带宽变化比为2(mf+1)。●就传送同一基带信号传输带宽而言，FM波传输带宽是AM波传输带宽的(mf+1)倍。[2]假如：AM系统和FM系统解调器输入端的单音普通AM波（设调幅系数m=1）和单音FM波（mf>>1）有相同输入信噪比，即从而，可推出可以看出：(1)与AM比较，FM有的“带宽换信噪比”的特性。(2)FM体制较AM传输体制具有更高的抗噪声能力。(3)FM传输体制在鉴频时有明显的“门限效应”，AM传输体制没有明显的检波门限效应。7.1.3鉴频门限效应简述FM接收机解调前的电路部分是一个带通系统，进入鉴频器的为：FM波+窄带高斯噪声，即其中：包含调制信号信息。注意到：上述信号与噪声的叠加，属于正弦矢量求和问题，合成信号的振幅与相位是FM信号与窄带噪声矢量求和的结果。OO2、当解调输入为大信噪比，即：时，信号矢量合成此时，因信噪比很大，第二项(噪声项)影响也很小，第一项(含信息)可独立解调分离出来。4、当鉴频器输入信噪比很低时，即将上述图中的矢量互换，即信号矢量合成为此时，没有单独存在的信息项，鉴频器输出几乎完全由噪声项决定，鉴频器输出信噪比将急剧下降，这种现象称为鉴频“门限效应”。由此可见，FM波的解调中，具有提升大信号、抑制小信号的特点。所以，FM接收机中常使用静噪电路。7.2接收机中的干扰与噪声7.2.1噪声和干扰噪声来源:内部:电阻热噪声,晶体管噪声.外部:天线热噪声,宇宙噪声.干扰来源:人为有意或无意干扰,天电干扰,工业干扰等.无论是干扰还是噪声都给通信系统传输质量带来负面影响,了解这种影响因素的机理是通信理论要研究的主要问题之一,也是通信工程中需要克服或抑制主要技术难题因素之一.1、电阻热噪声设单位电阻上的热噪声为，为一个随机过程，且统计平均值和时间均值都是0，即电阻热噪声的均方值（时间均值）定义为根据中心极限定律，应该是符合高斯分布的，热噪声是一种零均值的高斯噪声，是一种起伏噪声。一个阻值为R的电阻上，产生的热噪声电压均方值的热力学计算公式为为玻尔兹曼常量；为热力学温度（开氏温度）；B为测试设备的带宽。在对电路进行噪声定量分析时，对一个“有噪电阻”可以等效为一个“无噪电阻”与一个“噪声均方电压源”的串联模型结构。（无噪电阻）（有噪电阻）2、晶体管（半导体）噪声主要有：（1）热噪声：晶体管体电阻产生（2）散弹噪声：载流子运动浓度不均匀造成PN结扩散电流的起伏变化所导致的噪声，从统计特性上看，可近似看成白噪声。（3）分配噪声：由于晶体三极管基区载流子复合的随机性起伏，从而导致射极电流和集电极电流产生起伏噪声。（4）闪烁噪声（1/f噪声）：低频段噪声，其产生原因很复杂，说法不一，特点是其噪声功率与频率成反比。3、线性电路噪声分析的基本思路首先建立电路网络的噪声模型：有噪电阻使用其噪声模型，二极管、三极管也使用各自的噪声等效电路。计算输出噪声功率：使用“叠加定理”将各噪声电压源的均方值折算到输出，合成为总的输出噪声均方电压（功率）计算输入端噪声功率：一般是将输出噪声均方电压除以线性网络正向传递的功率增益Ap，从而得到总的输入噪声均方电压（功率）。7.2.2噪声系数1.噪声系数的定义噪声系数是接收机的一个重要技术指标。定义一个线性电路网络的噪声系数为：接收机线性电路接收机线性电路网络Ap2.噪声系数的意义对于线性电路，输入和输出信号的带宽不发生变化。此处的接收机是指的检波器之前的电路部分（含高放、混频、中放）。信噪比只能衡量信号质量，不能说明设备性能；若接收机（或线性网络）内部不产生任何噪声则满足，也就是此刻，输入信噪比等于输出信噪比接收机（或线性网络）内部必然产生噪声假设：为接收机输入端的外部(源)噪声功率传递到输出端的输出噪声功率；为接收机内部在输出端产生的输出噪声功率。那么：总的输出噪声功率为传递到输出端的外部噪声功率传递到输出端的外部噪声功率内部产生输出噪声功率传递到输出端的外部噪声功率=●噪声系数意义：描述的是实际接收机输出噪声功率较内部不产生噪声的理想接收机输出噪声功率恶化的倍数。它与加到线性电路网络输入、输出端的信号功率无关！它能体现线性接收系统的性能高低，而不像信噪比那样仅能表示信号质量的高低。3.额定功率与额定功率增益（1）额定信号功率：源阻抗与网络输入阻抗电路网络达到复共轭匹配，信号源可以输出最大信号功率，称之为电路网络（2）额定噪声功率：A．额定输入噪声功率：将信号源由源内阻热噪声源代替时，在达到复共轭匹配时，额定输入噪声功率为B．网络额定输出噪声功率：同理，额定输出噪声功率为注意：额定噪声功率只与温度和通频带有关，与负载阻抗无关。4.无源二端口网络噪声系数计算所谓“无源网络”是指网络内部元件完全是无源电阻和电抗元件，其中：电阻元件产生热噪声，电抗元件不产生热噪声。仅考虑热噪声源、不考虑信号源的无源二端口网络模型为：无源无源二端口网络Apa（1）网络输入端和输出端均处于复共轭匹配状态时，网络的功率增益称为“额定功率增益”，记为Apa求无源二端口网络噪声系数，可由噪声系数定义得：即：无源二端口网络的噪声系数为该网络的额定功率增益的倒数。举例：计算下列输入、输出复共轭匹配时的无源二端口网络噪声系数F解：设网络输入、输出端均处于复共轭匹配状态，则额定输入、输出噪声功率分别为；又因为有关系式：注意：（1）网络分析模型中虽然采用有噪电阻R1和R2的热噪声均方电压源进行计算，但直接求网络额定功率倒数就是F在前边已经证明，这其中就已包含了网络内部电阻热噪声的影响。（2）噪声电路计算中，噪声电压不能进行加减运算，热噪声源必须采用均方电压（即单位负载上的功率），这时的热噪声均方电压是可以进行加减计算。（2）网络输入、输出端阻抗均不匹配时可以在网络输入端与输出端各引入一个“失配系数q”,。现以上边的举例问题为例说明，输入噪声功率为负载上的噪声功率（含内部和外部噪声）应为其中：【结果分析】：A．F=1时，说明网络内部没有噪声；B．F>1部分全是网络中电阻产生的热噪声，即内部噪声。书上P208的例7-3中的二端口网络中R2开路（），其最后求得的额定功率增益为显然，它就是上边F计算结果在时的极限值。显然：求噪声系数时，计算二端口网络额定功率增益是最为关键的。5、级联网络的总噪声系数计算该公式告诉了我们，接收机设计中，低噪声设计的关键环节在前级。

7.2.3噪声温度网络外部噪声额定功率（一般是源电阻RA产生的热噪声）向网络输入的额定功率为这里的为实际温度，一般默认为290K。网络内部噪声额定功率：因为与源阻抗、负载阻抗和网络自身阻抗无关，可表为这里的称为等效噪声温度，简称噪声温度。网络的噪声系数此刻定义为那么，网络内部噪声折合到输入端的额定噪声功率为等效噪声温度的物理含义：把网络内部噪声功率视为无内部噪声理想网络的信号源内阻在温度时产生的热噪声。实际有噪线实际有噪线性无源网络Ap理想无噪线理想无噪线性无源网络Ap理想无噪理想无噪线性无源网络Apa可见，求一个网络的额定功率增益，应该是对无噪网络求解，（注：负载电阻的温度为室温Te，无源网络的功率增益<1。如果该网络功率增益=1，只有一种可能，那就是没有任何无源元件。所以，所谓额定功率增益是一种极限值。）这样，描述网络内部噪声影响就有了两个参数：噪声系数（可以直接表示内部噪声的大小）噪声温度（可以比较内、外噪声的相对大小）F(倍)11.525F(dB)01.763.016.99Tn(K)01452901160以表格中F=2（3dB）为例，输出负载上的额定噪声功率中，由网络外部（源内阻RA）和网络内部（网络阻抗）各自产生的噪声功率各占一半；而内部噪声功率可以折算到输入端，等效为在290K时的另外一个等效的源内阻所产生的热噪声额定功率。【例题】已知：两个线性放大器A、B，放大器A的（即1.12）；放大器B的（即1.21），求各自的噪声温度。解：【说明】虽然两个放大器的噪声系数都在1dB之内，似乎差异不大，但噪声温度数值却差异明显。因而，在内部噪声小时用噪声温度衡量设备性能合适，而内部噪声很大时，噪声温度数字过大，此时采用噪声系数分析更合适。7.2.4接收机灵敏度接收机灵敏度定义：保证接收机输出信噪比达到一定值时，接收机输入端的最小有用信号功率，或者是输入端匹配状态下的的最小可检测信号电压值。计算公式为：式中，（）通常是所要求的中放输出（检波输入）端的最小信号噪声功率比。此时的最小可检测电压为式中，为与源内阻匹配的接收机输入电阻。可参考教材P211的例7-4.举例：无线电信号载频，假定传播路径为自由空间，收发天线之间距离，接收机灵敏度为，发射社天线增益，接收天线增益，求发射机的最小发射功率？解：电波在自由空间传播时，接收信号功率为路程损耗：（倍）即：实际地面环境下，信号传播的质量还会受到收发天线架设高度、接收信号的反射、折射和散射等等多径效应形成的快衰落，甚至是阴影的深度慢衰落的影响，还要考虑很大一部分“恶化量”，因此发射功率要加大很多。

7.3自动增益控制(AGC)简介AGC(AutomaticGainControl)原理AGC通常在接收放大中使用，以保证在接收信号强弱变化悬殊(几百微伏～几百毫伏变化)的条件下，保持放大器输出电平为某一设定值。后向AGC一般在接收机的高放或中放级使用，反馈控制量一般取自检波输出。高高放混频低放中放检波低通直放AGC延迟BackwardAGCNoAGCNoAGCSimpleAGCSimpleAGCDelayedAGCDelayedAGC10102030405060-35-10-20-3