微波收发技术噪声和接收机灵敏本PPT学习教案

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1、会计学1微波收发技术噪声和接收机灵敏本微波收发技术噪声和接收机灵敏本主要内容主要内容基本知识：微波工程常用单基本知识：微波工程常用单位和表示方法位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微波收发系统中的频率源技术术设计实例设计实例第1页/共101页第2页/共101页第3页/共101页第4页/共101页第5页/共101页第6页/共101页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

2、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第7页/共101页anoutainoutoutoutininGBkTNGNNNSNSNF0意义：意义：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。的倍数就是该器件的噪声系数。输入端信噪比输出端信噪比第8页/共101页ananaainainaGBkTGBkTNGNGNNNF00第9页/共101页Gain 20dBNF 10dBT = 29

3、0KoN aNp = Na + Nin GNin at 290KImperfect Amplifier Degrades Signal to Noise Ratio NaNoise (in) x Gain N in GNoise (in)第10页/共101页0000TTTfGkTfGkTfGkTNFeeNF 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 4第11页/共101页0TTLF室温下室温下 F=L第12页/共101页 G1,F1,Bn G2,F2,Bn 第13页/共101页 G1,F1,Bn G2,F2,Bn kT0Bn kT0

4、Bn kT0BnG1 Na1 kT0BnG1G2 Na1G2 Na2 总附加功率 总噪声功率 210GFGBkTNnout1011) 1(GBkTFNna2022) 1(GBkTFNna第14页/共101页210GFGBkTNnout210212GGBkTGNNNnaaout2022) 1(GBkTFNna1011) 1(GBkTFNna1211GFFF121213121.1.11NNGGGFGGFGFFF对N级级联系统第15页/共101页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，

5、则Amp1排在排在Amp2前面，前面，F12F21第16页/共101页第17页/共101页)10(10)58. 1 (211dBGdBF)100(20)10(1012dBGdBF)48. 2(94. 30dBF )100(20)58. 1 (211dBGdBF)100(20)10(1012dBGdBF)67. 1 (04. 20dBF 第18页/共101页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第19页/共101页主要内容主要内容基本知识：微波工程常用单基本知识：微波工程常用单位和表示方法位和表示方法无线系统体系构架无

6、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微波收发系统中的频率源技术术设计实例设计实例第20页/共101页第21页/共101页第22页/共101页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，接收机的噪声系数为，接收机的噪声系数为F，功率增益为，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,mi

7、n= 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。接收机输出总噪声功率接收机输出总噪声功率第23页/共101页 No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后在接收机输出端呈现的噪声功率，的天线噪声电阻经放大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=

8、kBTa+(F-1) T0G 而而 是所要求的最低输出信噪比，因此灵敏度为是所要求的最低输出信噪比，因此灵敏度为Pin,min=kBTa+(F-1) T0(SNR)o,minmin,min,oooSNRNP第24页/共101页 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)(0MHzBdBNFMHzdBmHzBdBNFHzdBmBdBNFHzd

9、BmkTdBm基底噪声第25页/共101页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），为保证输出质量所要输入的信号最低电平越高，即灵敏度低。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。第26页/共101页dBmMHzBdBNFMHzdBmdBm82202114)100log(102114)(log10)()/(114)(基底噪声第

10、27页/共101页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第28页/共101页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热接收机输入

11、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。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第29页/共101页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

12、噪声系数下的收信门限电平的收信门限电平第30页/共101页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？第31页/共101页 2）等效噪声带宽）等效噪声带宽 B=155106/log264=25.83106MHz 3）Prt 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)+

13、Eb/N0第32页/共101页下降，因此动态范围的上限由下降，因此动态范围的上限由最大可接受的信号失真决定。最大可接受的信号失真决定。第33页/共101页 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，即下限输入信号为灵敏度（或下限为噪声基底），上限输入信号为灵敏度（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限为在输出端引起的三阶交调失真分量Po3等于最等于最小可检测电平，折合到到输入端，恰好等于输入小可检测电平，折合到到输入端，恰好等于输入信号为灵敏度（或下限为噪

14、声基底），信号为灵敏度（或下限为噪声基底）， 即即Pin,max=Ft/GP。第34页/共101页 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,tinPoinPPoFIIPPFGPPIIPGPGPin第35页/共101页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

15、，dBFIIPSFDRt332 以噪声基底为下限定义以噪声基底为下限定义SFDR时，时， 第36页/共101页 dBdBdBSNRFFIIPSFDRott3 .471299992031231min,3 解 Ft=-174dBm/Hz+NF(dB)+10logB =-174+5+70=-99dBm第37页/共101页主要内容主要内容基本知识：微波工程常用单基本知识：微波工程常用单位和表示方法位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

16、微波收发系统中的频率源技微波收发系统中的频率源技术术设计实例设计实例第38页/共101页第39页/共101页第40页/共101页 PLL#1 REF PLL#3 Micro Controller RSSI 8 V LIN REG DC/DC CONVERTER VGA 50dB Dynamic Range From IDU To IDU PLL#3 To Antenna 第41页/共101页第42页/共101页第43页/共101页第44页/共101页=fx-f0f0频率源的实际输出频率频率源的实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。第45页/共101页

17、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要求第46页/共101页图示为码速率为10Mbps的QPSK调制频谱频谱第47页/共101页第48页/共101页第49页/共101页第50页/共101页 -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）第51页/共101页oV (t) = A + E(t) s

18、in 2 f t + (t)oWhereE(t) = random amplitude fluctuations (t) = random phase 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第52页/共101页f0ff0- fmf0+ fm1Hz带宽f0f理想频谱理想频谱实际频谱实际频谱第53页/共101页第54页/共101页第55页/共101页A BS radHz2degreesS (f)ABPhase

19、 Jitter = 3602 radS (f)ABPhase Jitter = = dB Relative to 1 radrms Phase Jitter = Total rms phase deviation within a specified bandwidth第56页/共101页A BSradHz2Hzf S (f)df2ABResidual FM = = S (f)dfABResidual FM = Total rms frequency deviation within a specified bandwidth第57页/共101页Phase NoiseAmplitude Noi

20、se第58页/共101页fx-f0f0频率源的实际输出频率频率源的实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第59页/共101页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有源器件的老化特性。特性。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、电压变化和电路参数的不稳定路参数的不稳定。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的平

21、均值为次所测的频率稳定度为第为测量次数nffiffnffffniniin 0012001第60页/共101页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，然后无间隙地测量另一个取样时间，然后无间隙地测量另一个取样时间 的平均频率的平均频率f f2 2i i，将，将( (f f1 1i i , ,f f2 2i i) )作为第作为第i

22、 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第61页/共101页第62页/共101页 /2载波载波I:Q:IQ第63页/共101页常用的上变频器：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第64页/共101页1.522.531919.52020.5SKA2（2/20GHz）上变频混频杂波分析IF输

23、入频率（GHz）RF输出频率（GHz）第65页/共101页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频率源频率源第66页/共101页定义定义 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件。理想特性为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: 允许某一频率段允许某一频率段, 如如f1f2= B通过，而抑制其余频率段通过，而抑制其余频率段ff2 ,即不许它们通过即不许它们通过(f2 f1)。 分类分类(按性能

24、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的频率被抑的频率被抑制；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）被抑制，高于抑制，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）允许通过，高于允许通过，高于f2的频率（的频率（f2）允许通过）允

25、许通过 (示意图与示意图与“带通带通”类类似，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)。第67页/共101页LPFHPFBPF第68页/共101页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反射衰减，由此实现信号频谱过滤功能。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。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 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, 窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽

26、。 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)处对应的左、右边频点。通常用处对应的左、右边频点。通常用X=3、1、即、即BW3dB、BW1dB、BW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截止频率截止频率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宽。亦经常用来表征滤波器通带带宽。 第69页/共101页第70页/共101页第

27、71页/共101页第72页/共101页第73页/共101页第74页/共101页第75页/共101页第76页/共101页第77页/共101页第78页/共101页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40010000Mhz130%同轴腔体滤波器同轴腔体滤波器4006000Mhz0.65%交指结构腔体滤波器交指结构腔体滤波器60016000Mhz180%矩形波导腔体滤波器矩形波导腔体滤波器5000Mhz毫米波毫米

28、波/亚毫米波亚毫米波0.34%微带滤波器微带滤波器40GHz或更高或更高3%以上以上第79页/共101页功率放大器的主要形式功率放大器的主要形式行波管行波管固态功放固态功放固态功率放大器的实现工艺固态功率放大器的实现工艺SiSi工艺工艺GaAsGaAs工艺工艺GaNGaN第80页/共101页第81页/共101页Electron gun RF input Magnets Attenuator Helix coil RF output Vacuum tube Collector. 第82页/共101页电路级电路级功率合成功率合成空间空间功率合成功率合成芯片级功率合成芯片级功率合成(4.13mm3.

29、3mm)第83页/共101页第84页/共101页第85页/共101页 AGC 控制 AGC 控制 / 2 / 2 I Q 第86页/共101页第87页/共101页 AGC 控制 AGC 控制 / 2 / 2 I Q 第88页/共101页第89页/共101页第90页/共101页第91页/共101页第92页/共101页第93页/共101页 可变 衰减器 可变 衰减器 检波器 可变 衰减器 可变 衰减器 基带 处理器 A/D D/A 模拟模拟AGC放大器放大器数控数控AGC放大器放大器第94页/共101页第95页/共101页 AGC 控制 第96页/共101页 900移相 I Q 零中频 射频输入 第97页/共101页 射频输入 数字下变频 解调 解交织、信道编码 A/D Data Out 射频输入 数字下变频 解调 解交织、信道编码 A/D Data Out 射频输入 数字下变频 解调 解交织、信道编码 A/D Data Out 图图a图图b图图c第98页/共101页第99页/共101页ADCDAC模块FPGADSPARM接口模块图 信道模块信号处理单元的硬件组成中频输入/输出数据输入/输出射频单元第100页/共101页