第2章数字微波通信

2013-09-10CopyrightByDr.Fang120201313年年99月月33日日数字微波通信房少军博士2013-09-10CopyrightByDr.Fang2TransceiverTransceiverTransmitterTransmitterReceiverReceiver2013-09-10CopyrightByDr.Fang3微波站的多波道工作系统（一个方向上）第二章微波收发信机(MicrowaveTransceiver)2013-09-10CopyrightByDr.Fang4§2.1微波发信机的组成及主要技术指标一、组成微波发信机方框图：代振：信号中断时，70MHz代振器启动，便于明确故障位置，抑制噪声，不影响相邻波道的工作；中频放大器：在中频(70MHz)上放大信号；自动电平控制中频已调信号中放上变频发信本振公务信号微波功放滤波单向器分路滤波定向耦合器代振器中频放大器2013-09-10CopyrightByDr.Fang5上变频器：将中频已调信号变为微波已调信号；发信本振：本地振荡器自动电平控制：根据定向耦和器送来信号，控制放大器输出，以克服温度变化、器件老化引起的功率不稳定。微波功放：在微波频率上进行信号的功率放大；自动电平控制中频已调信号中放上变频发信本振公务信号微波功放滤波单向器分路滤波定向耦合器代振器2013-09-10CopyrightByDr.Fang6二、发信机的主要性能指标1．工作频段（1GHz～40GHz）目前我国基本使用2、4、6、7、8、11、13、15、18GHz频段。其中2、4、6GHz频段因电波传播比较稳定，被用于干线微波通信，而支线或专用网微波通信常用2、7、8、11、13GHz。2.输出功率输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。一般在几十毫瓦到几瓦之间。3.频率稳定度射频中心频率f0，实际工作频率与中心频率偏差△f，则频率稳定度K为：0ffK一般频率稳定度为1×10-5～5×10-6左右。2013-09-10CopyrightByDr.Fang7补充知识：电平的概念在微波线路中，常用电平表示某点信号的大小。电平又有绝对电平与相对电平之分。绝对电平：电路某点a的信号功率Pa与1mw的比值取对数后乘10，即为a点信号的绝对电平，单位为dBm。例信号在a点的功率分别为1W、1mW、1μW,分别计算出信号在a点对应的绝对电平。解：dBm30mW1mW1000lg10dBmaPWPa1时，dBm0mW1mW1lg10dBmaPWPam1时，2013-09-10CopyrightByDr.Fang8相对电平：电路某点a的信号功率Pa与某一参考点b的信号功率的比值取对数后乘10，即为a点信号相对于b点的相对电平，用“Pr”表示，单位为dBr。例信号在a点的功率为1W,在b点的功率为200mw，计算b点信号相对于a点的相对电平。dBm30mW1mW001.0lg10dBmaPWPa1时，dBr7mW1000mW200lg10brP解：2013-09-10CopyrightByDr.Fang9①dBdB，dBi,dBd,dBc，dBw释义dB是一个表征相对值的值，纯粹的比值，只表示两个量的相对大小关系，没有单位。考虑甲功率相比于乙功率大或小多少dB时，计算公式为[例]甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3dB。反之，如果甲的功率是乙的功率的一半，则甲的功率比乙的功率小3dB。10log（甲功率/乙功率）20log（甲电压/乙电压）2013-09-10CopyrightByDr.Fang10②dBi和dBd[例]0dBd=2.15dBi。[例]对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。dBi和dBd是表示天线功率增益的量，两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线;dBd的参考基准为偶极子;两者略有不同。表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。2013-09-10CopyrightByDr.Fang11③dBcdBc是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一样。一般来说，dBc是相对于载波（Carrier）功率而言，在许多情况下，用来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰（同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、杂散等的相对量值。在采用dBc的地方，原则上也可以使用dB替代。dBc数值经常表示谐波输出低于基波的dB数。例如：二次谐波失真-60dBc的意思是在二倍基波频率的失真输出幅度比基波低60dB。2013-09-10CopyrightByDr.Fang12④dBwdBw是一个表示功率绝对值的单位（也可以认为是以1W功率为基准的一个比值），计算公式为：10log（功率值/1w）。[例]如果功率P为1w，折算为dBw后为0dBw。dBw与dBm之间的换算关系为：0dBw=10log1W=10log1000mw=30dBm。2013-09-10CopyrightByDr.Fang13在dB，dBm，dBw计算中，要注意基本概念，用一个dBm（或dBw）减另外一个dBm（dBw）时，得到的结果:?需要注意一般来讲，在工程中，dBm（或dBw）和dBm（或dBw）之间只有减，没有加、乘、除。dBm减dBm实际上是两个功率相除，信号功率和噪声功率相除就是信噪比（SNR）。dBm加dBm实际上是两个功率相乘。是dB，例如：30dBm-0dBm=30dB。2013-09-10CopyrightByDr.Fang144.高功放的非线性指标功放的非线性功放的1dB压缩点1dB增益压缩点增益由线性增益下降了1dB的点。此时的增益称为1dB增益压缩点增益G1dB；对应的输出功率称为1dB增益压缩点输出功率P1dB。通常用P1dB近似表示最大线性输出功率。UOUi功放UiUO2013-09-10CopyrightByDr.Fang15注意：弄清交调与互调的区别另一个重要指标：三阶互调输入到系统中有多个波道信号，或者有用信号与干扰信号同时进入系统，由于系统存在非线性，使某波道的调制信号调制到另一个波道的载频上输出，或者使干扰信号调制到有用信号载波上输出，这种现象称作交叉调制，简称交调。输入多个信号频率（也可能有干扰信号频率），由于系统存在非线性，输出端除了原来信号频率外，还出现了新的频率组合分量（如，mω1±nω2，m,n=0，1，2，…），这些频率分量是无用的，这种现象称作互相调制，简称互调。交调（CrossModulation,CM）互调（InterModulation,IM）2013-09-10CopyrightByDr.Fang16如果放大器输入端存在两个正弦信号，其角频率分别为ω1和ω2，则由于放大器的非线性作用将产生许多互相调制分量：mω1±nω2，m,n=0，1，2，…。按照谐波次数(m+n)的大小，各分量分别称为(m+n)阶互调分量。为什么讨论三阶互调？在各阶互调分量中2ω1-ω2和2ω2－ω1处在ω1和ω2附近，大多数情况下则处在通频带之内，从而成为干扰信号。另外，随着阶数的增加，系数越小，所以一般仅考虑前三阶的项。2013-09-10CopyrightByDr.Fang172013-09-10CopyrightByDr.Fang18隔直后输出,并考虑轻微的非线性,则:332210iiiUaUaUatU如果tAtUicos,则有:tAatAatAaAatU3cos42cos2cos4333223310线性条件下功率增益:100maxlg20lg20lg10aUUPPGii非线性的基波功率增益:23143lg20AaaG讨论三阶互调系数IM300nnintUatU考虑非线性，有：2013-09-10CopyrightByDr.Fang19实际上信道可看成是窄带系统，双频激励信号的各次谐波和大多数互调产物不能到达负载，因此在轻微非线性信道中只考虑基波项和三阶互调项。ttAattAaaAtU1221332123102cos2cos283coscos892tAtAtUi21cos2cos2代入到:332210iiiUaUaUatU取基波项和三阶互调项：考虑双频激励信号：2013-09-10CopyrightByDr.Fang20三阶互调系数的定义：双频输入信号总功率等于单频输入信号的功率时，(2ω1-ω2)或(2ω2-ω1)频率信号的幅度与基波的信号幅度之比值。23123231233938983AaaAaAaaAaIM例如，PSK调制的三阶互调系数约为-20～-25dB；而对于多电平正交调幅系统，如16QAM系统，则要求在-25～-30dB以上。2312213212133(2)(2)(dB)10log10log20log()()9aAPffPffIMPfPfaaA2013-09-10CopyrightByDr.Fang21用三阶截断点(Third-orderInterceptPoint，IP3)表示三阶互调产物的影响。IP3越高表示线性度越好和更少的失真。2013-09-10CopyrightByDr.Fang22§2.2微波收信机的组成与主要技术指标一、组成微波低放：在微波频段上低噪声放大，改善噪声性能；混频与本振：与发信机类似。前置中放：中频上的低噪声放大；中频滤波：进行时延均衡，并决定信道的通频带和选择性；主中放：放大信号并进行自动增益控制（AGC）；图2－4数字微波收信机方框图2013-09-10CopyrightByDr.Fang231.工作频段:与发信频段相同。2．收信本振频率稳定度:收信本振频率稳定度与发信设备基本一致，通常为(1～2)×10-5,要求较高者为(1～5)×10-6。3．噪声系数NF网络的增益为G=PSO/PSi，输出端噪声功率为网PGPPnino二、收信机的主要技术指标nosonisiFPPPPN定义：环境温度为标准室温（17oC）、网络输入、输出端匹配2013-09-10CopyrightByDr.Fang24GPPGPPGPGPPPPPPNnininininonosonisiF网网1NF=1，网络本身不产生热噪声，即，输出端噪声功率仅由输入噪声决定。0P网可以证明：无源损耗网络的噪声系数等于其正向传输损耗，即NF=L数字微波收信机的噪声系数为3.5～7dB。4．通频带一般数字微波收信设备的通频带可取传输码元速率的1～2倍。对于fs=8.448Mb/s的二相调相数字微波通信设备，可取通频带为13MHz，这个带宽等于码元速率的1.5倍。通频带的宽度是由中频放大器的集中滤波器予以保证的。2013-09-10CopyrightByDr.Fang255.选择性接收本波道信号，并抑制邻近波道干扰、镜象频率干扰以及本波道发信干扰的能力，这就是收信机的选择性。收信机的选择性是靠收信混频之前的微波滤波器和混频后中频滤波器来保证的。fLfSfIf中频f图2－4数字微波收信机方框图2013-09-10CopyrightByDr.Fang266．收信机的最大增益低噪声放大器、前置中放和主中放的增益之和。一般收信机最低输入电平为-80dBm，要求主中放在75Ω负载上输出250mv(相当于-0.8dBm)，收信机最大增益为79.2dB。图2－4数字微波收信机方框图2013-09-10CopyrightByDr.Fang277．自动增益控制范围基准电平：自由空间传播条件下的收信电平；假定数字微波通信的上衰落为+5dB，下衰落为-40dB，其动态范围（即收信机输入电