第4章-微波收发技术--噪声和接收机灵敏度(本)

微波通信技术第4章微波通信中的收发技术主要内容基本知识：微波工程常用单位和表示方法无线系统体系构架系统的非线性和补偿措施系统的噪声和噪声系数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中的频率源技术设计实例主要内容•引言–噪声的来源–噪声对微波通信系统的影响•噪声系数的定义•级联系统的噪声系数•混频器的噪声系数引言•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这些微弱信号。•灵敏度、BER、NF是表征系统处理微弱信号能力的系统参数，其中NF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个部件。通过控制各个部件的NF及增益，即可确定整个系统的NF，从而根据系统带宽来确定系统的灵敏度，进而确定系统的BER。噪声对微波通信系统的影响(1)噪声对微波通信系统的影响(2)噪声的来源•热噪声–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.•各种干扰噪声–主要是由电波多径传播、阻抗失配、电源波动及其它欣道的干扰所产生的噪声。•波形失真–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所产生的噪声。热噪声的分析RNAkTBPN•噪声功率随带宽的减小而减小•噪声功率随温度的降低而降低•噪声功率公式仅适应于1000GHz以下的频率噪声系数的定义1anoutainoutoutoutininGBkTNGNNNSNSNF0•意义：信号通过二端口网络(放大器)后，由于器件本身产生噪声，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。输入端信噪比输出端信噪比噪声系数的定义2•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NinGa–系统的内部附加噪声Na–Pn=Na+NinGaananaainainaGBkTGBkTNGNGNNNF00Gain20dBNF10dBT=290KoNaNp=Na+NinGNinat290KImperfectAmplifierDegradesSignaltoNoiseRatioNaNoise(in)xGain[NinG]Noise(in)噪声系数的定义3•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等效噪声温度Te来表示则Na=kTefG同样Nin=kT0fG0000TTTfGkTfGkTfGkTNFeeNF0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.52.03.04NF(dB)1.0231.0471.0721.0961.1221.1481.1751.2021.231.2591.4131.5851.9952.512Te(K)6.8213.8120.9628.2735.7543.4151.2459.2667.4775.87120.9171.3291.6442.9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，如衰减器、有耗传输线等•用损耗因子L来表示，GA=1/L0TTLF•室温下F=L•(F1，G1)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•F0为级联后的系统噪声系数G1,F1,BnG2,F2,Bn级联系统中的噪声系数(1)级联系统中的噪声系数(2)G1,F1,BnG2,F2,BnkT0BnkT0BnkT0BnG1Na1kT0BnG1G2Na1G2Na2总附加功率总噪声功率210GFGBkTNnout1011)1(GBkTFNna2022)1(GBkTFNna级联系统中的噪声系数(3)210GFGBkTNnout210212GGBkTGNNNnaaout2022)1(GBkTFNna1011)1(GBkTFNna1211GFFF121213121...1......11NNGGGFGGFGFFF对N级级联系统噪声度量•定义噪声度量标准GFM/111•若Amp1（F1，G1），Amp2（F2，G2）•若M1M2，则Amp2排在Amp1前面，F21F12•若M2M1，则Amp1排在Amp2前面，F12F21•Amp1F=2,G=10dB,Amp2F=2，G=20dB•则M1=1.11111，M2=1.05，因此Amp2排在Amp1的前面•F12=2+（2-1）/（1-10）=2.1•F21=2+（2-1）/（1-100）=2.01例子第1级NF对系统的影响•应合理地分配各级电路的噪声系数和增益•在一定条件下,系统的噪声系数只取决于系统的第1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)67.1(04.20dBFIL=2dBG=20dBNF=2dBCL=7dBG=30dBNF=6dB计算接收机的总噪声系数主要内容基本知识：微波工程常用单位和表示方法无线系统体系构架系统的非线性和补偿措施系统的噪声和噪声系数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中的频率源技术设计实例主要内容•灵敏度–灵敏度的定义–灵敏度的定量表示–收信门限电平•动态范围–动态范围的定义–动态范围的定量表示灵敏度的定义•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信号电平。•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。ooooinNPGNGPPmin,min,min,设接收机天线的等效噪声温度为Ta，接收机的噪声系数为F，功率增益为G，带宽为B。设最低的可检测输入功率电平为Pin,min，则Pin,min=Pout,min/G其中Pout,min是经接收机放大后对应的最低可检测输出功率。接收机输出总噪声功率灵敏度的定量表达式(1)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No=kBTaG+Na。Na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，Na=kBTeG由噪声系数的定义，F=1+Te/T0，Te=(F-1)T0则No=kB[Ta+(F-1)T0]G而是所要求的最低输出信噪比，因此灵敏度为Pin,min=kB[Ta+(F-1)T0](SNR)o,minmin,min,oooSNRNP灵敏度的定量表达式(2)灵敏度的定量表达式(3)灵敏度用dB表示SNRBHzdBmTFTkdBmPain)log(10)/(1log10)(0min,系统的基底噪声Ft当Ta=T0=290K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（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。例一低噪声放大器的增益为20dB，噪声系数为2dB，假设其工作带宽为100MHz，问：该LNA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(1)•根据调制方式、传输速率、BER门限可确定通信系统的收信门限电平。0421NEerfcBERbQAM过程如下：1.首先根据调制方式和BER门限，求出对应的理论归一化比特能量信噪比Eb/N0MQAM相干解调的BERMLNELLerfcLLLBERb0221log3log10165283NEerfcBERbQAM06471247NEerfcBERbQAM收信门限电平(2)2.根据调制方式确定系统的载噪比C/N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。对理想信道，可取fs=B，对于基带具有余弦滚降特性的频带传输系统，B=（1+α）.fs0000/KTNNTECBfNEBKTNPNCFssssFr收信门限电平(3)•当B=fs时，MNENENCbs200log3.根据调制方式和传输速率确定等效噪声带宽)1(log2MffBbb4.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•某通信系统的调制方式为64QAM调制，经相干解调，BER与归一化信噪比的关系为06471247NEerfcBERbQAM当系统BER=2×10-5，NF=2dB,通信速率为155Mbps时，系统的收信门限电平？计算收信门限电平的例题(1)计算收信门限电平的例题(2)1）根据BER与Eb/N0的公式，当BER=2×10-5时Eb/N0=17.4dB，则C/N=Eb/N0+10log(log264)=17.4+7.8=25.2dB2）等效噪声带宽B=155×106/log264=25.83×106MHz3）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Eb/N0、传输速率和噪声系数等参数计算收信门限电平。Prt=-114+NF+10log(fb)(MHz)+Eb/N0动态范围(1)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，因此动态范围的上限由最大可接受的信号失真决定。动态范围的定义(2)1)对功率放大器常用线性动态范围的概念(Lineardynamicrange)。定义为：产生1dB压缩点的输入信号电平与灵敏度或（或噪声基底之比）2)对LNA和混频器则常用无杂散动态范围的概念(SFDR)(Spurious-freedynamicrange)，即下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Po3等于最小可检测电平，折合到到输入端，恰好等于输入信号为灵敏度（或下限为噪声基底），即Pin,max=Ft/GP。动态范围的定义(3)SFDR=Pin,max/Pin,min1）根据噪声基底和SNRmin可以求出Pin,min2）根据噪声基底和IIP3可以求出Pin,max2333313331)(IIPGGIIPPPPPGPPGPPPinooPoinPoin323max,33max,23333max,tinPoinPPoFIIPPFGPPIIPGPGPin动态范围的定义(4)dBSNRFFIIPSFDRottmin,3231以灵敏度作为下限定义SFDR时，dBFIIPSFDRt332以噪声基底为下限定义SFDR时，例题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-10dBm,系统的带宽B=10MHz，天线的等效噪声温度为T0，解调器要求输入的信噪比为SNRo,min为12dB，求此系统的无杂散动态范围。dBdBdBSNRFFIIPSFDRott3.471299992031231min,3[解]Ft=-174dBm/Hz+NF(dB