通信射频电路2 通信系统中的基本单元电路

四、噪声系数与等效噪声温度1.既然信噪比如此重要，为了考察一个电路（或系统）的性能，我们又定义了噪声因数与噪声系数。噪声系数：F=输入信噪比/输出信噪比噪声系数（dB）：NF=10log10F因为任意一个实际模拟电子系统总是有噪声的，所以F一定大于1，理想情况F=1或NF=0dB四、噪声系数与等效噪声温度KpPn0PsiPniKpPs=Ps0KpPn+Pn0iSNRsiniP输入信噪比=Po00SNR/ppnnpKKPPKssniniPP输出信噪比=PP四、噪声系数与等效噪声温度/1noiopniPFSNRSNRKP噪声系数通过上述分析可知，对某一单元电路的噪声系数大小并不是恒定的，它与输入信号携带的噪声大小有关，亦即输入信噪比一定，信号愈大，则本地噪声的影响愈小，噪声系数愈小。所以单讲噪声系数是没有意义的，必须同时标明输入信号大小才有意义。四、噪声系数与等效噪声温度例：p64例2.3.1如下图示二端口网络，试求其噪声系数。ViRoRs四、噪声系数与等效噪声温度解：该网络电压增益为ovsoRKRR输入信号功率为siP输出信号功率为20viKPP输入噪声功率为4snkTRBP输出噪声功率为4(//)sonkTRRBP四、噪声系数与等效噪声温度该网络电压增益为2/4(//)/4sinsososonosoPPkTRRBRRFPPkTRBR1soRR对本网络,oRF作功率传输时,2soRRF四、噪声系数与等效噪声温度推广：在匹配条件下1pFLG即F等于其插入损耗()soRR无源网络的噪声系数2.等效噪声温度（1）定义：任何一个线性网络，如果它产生的为白噪声，则可以用网络输入端温度为Te的电阻（匹配状态）所产生的热噪声来代替，此时，该网络可视为无噪的。2.等效噪声温度有噪网络RsTe=0GpN内RL无噪网络RsTeGpN内RLepNTkBG内有2.等效噪声温度（2）Te与F的关系Gp,B,TeRsT0NoRLNi输入噪声0iNkTB输出噪声0()opeNGkTTB000//1//()iiioopipeePNPkTBTFPNGPGkTTBTTeT02.等效噪声温度等效噪声温度的概念较多应用在低噪声接收系统（卫星通信）当F趋于1时，使用等效噪声温度其分辨率较高参见p67,表2.4.13.级联网络的噪声系数任何实际网络（电路）单元都是有噪的，它们级联后的情况如何呢？以两级级联为例。Gp1B1Te1RsT0N2RLNiGp2B2Te2N13.级联网络的噪声系数第一级输入噪声功率1101()peNGkTTB第二级输入噪声功率22122212011120()()()ppeeppepppeNGNGkTBTGGkBTTGGGkBTT级联等效噪声温度3.级联网络的噪声系数即211eeepTTTG又0(1)eTFT110220(1)(1)eeTFTTFT200101(1)(1)(1)pFTFTFTG有3.级联网络的噪声系数化简2011(1)pFFFG进一步可以推得多级级联时231112......eeeepppTTTTGGG3201112(1)(1)......pppFFFFGGG3.级联网络的噪声系数例：如下图所示两级级联，有NF1=2dB,Gp1=12dB,NF2=6dB,Gp2=10dB,求总的噪声系数NFGp1NF1Gp2NF23.级联网络的噪声系数解：先作转换12121.59,415.9,10ppFFGG21114115.91.77915.9pFFFG10lg2.5NFFdB由上可见，级联系统前面几级噪声系数对系统总的噪声系数影响较大。前级的增益越大，后级噪声的贡献越小。五、接收灵敏度与动态范围1、灵敏度通信系统接受微弱信号能力的一种度量定义：通信系统能正确接收有用信号时，输入信号的最低电平。这里“正确接收”的含义就是能正确解调，亦即送到解调器的信号的信噪比必须能达到正确解调的要求。由此直观的分析可知，接收机本地噪声的大小决定了系统灵敏度的大小五、接收灵敏度与动态范围输出噪声功率接收信道解调器RATaFGpBN0P0S/N00[(1)]apNkBTFTGPi五、接收灵敏度与动态范围取对数0000()()ippPNPPGGN0[(1)]appkBTFTGSNRGmin0min[(1)]iaPkBTFTSNRmin0min()10lg{[(1)]}()iaPdBmkBTFTSNRdBm五、接收灵敏度与动态范围当Ta=T0=290K时minmin()174(/)()10lg()()iPdBmdBmHzNFdBBdBHzSNRdB上式中前三项称为系统基底噪声，记为Ft17410lgtFNFBSNRmin取决于不同调制方式的解调要求，因此可知，系统基底噪声越小，则接收灵敏度越高。五、接收灵敏度与动态范围例：某接收机总的噪声系数为8dB，系统中频带宽为3kHz，解调要求为12dB，求接收灵敏度。minmin17410lg174834.812119.2()iPNFBSNRdBm五、接收灵敏度与动态范围上述定义得到的是输入信号的最小功率，对不同的天线阻抗还需换算，工程上还有另一种更为常用的定义：最终能解调出比接收机本地噪声大某一确定值(如10dB)信号输出时对应的输入信号的电压幅值EA(μV)。本定义更便于测量，故工程中常用。五、接收灵敏度与动态范围例如：某接收机灵敏度EA=1μV信号时，输出的解调信号比接收机本地噪声高10dB，亦即SNR出=10dB接收机噪声系数与EA的关系设天线和接收机输入阻抗匹配，等效阻抗为RA(Ω)五、接收灵敏度与动态范围则输入信号功率24AsiAEPR输入噪声功率niPKTB输入信噪比24AiAESNRKTRB设要求的输出信噪比oSNRD五、接收灵敏度与动态范围则系统噪声系数24iAoASNREFSNRKTRDB214410()(290)AAAEKTRDBFRDBFVTK五、接收灵敏度与动态范围例：某接收机NF=8dB，RA=50Ω,B=3kHz，要求D=12dB，求EA解：214100.5AAERDBFV8121010106.3,1015.8FD五、接收灵敏度与动态范围通过以上分析可以看到，要提高系统灵敏度，在系统设计上要力争降低中频带宽与解调信噪比要求，前者受制于信息流量，后者则取决于调制解调方式。在电路设计上则要力争降低系统的本地噪声（NF）五、接收灵敏度与动态范围一般来说，解调器对输入信号有大小要求，即必须大到一定程度（如Vpp1V）。于是系统灵敏度越高，则总的系统增益Kv也越大。我们是不是可以通过增大Kv来提高灵敏度呢？五、接收灵敏度与动态范围如图：若系统内部噪声折算到输入端为0.1μV,要求输出信号1V,SNRo=12dBKVEAVpp62110110lg()200.1VsoKVVSNRdB当720.1100.110lg()00.1VsoKVVSNRdB当五、接收灵敏度与动态范围因此，本地噪声一定时，提高KV并不一定能提高EA综上所述，提高系统灵敏度的关键还是降低系统的内部（本地）噪声，而这是需要付出代价的：电路的复杂性与成本会大幅提高。五、接收灵敏度与动态范围例如卫星通信：灵敏度提高3dB增加2000万$短波SSB接收机典型值NF=7~10dBB=3KHzRA=50ΩEA=1.1~1.6μV2、动态范围亦称线性动态范围：即不会引起输入信号产生非线性失真的输入信号电平范围。对于通信系统而言，动态范围主要取决于信道中的放大器。而信道中的放大器主要可分为三类：（1）低噪声小信号放大器（2）中频放大器（3）射频功率放大器2、动态范围对于第一种放大器，它的动态范围，主要考虑为不产生新的寄生杂散分量，即“无杂散动态范围”，故一般以Pimin为下限，上限通常确定为三阶互调失真分量（P03）等于系统本地噪声时的输入信号值Pimax。maxminifiPDRP2、动态范围Pimin我们前面已经会求了，下面我们来求Pimax，有三阶截点定义，当Pin=IIP3时P01=P03,,而013033pinpinPGPPGP323ppGGIIP33033maxmax23ppiiptGPGPPGFIIP又23max3()itPIIPF2、动态范围对于第二种放大器，因现在基本上都引入了AGC电路，故一般认为不会影响系统动态范围。对于第三种放大器，主要考虑其增益的非线性。此时期动态范围定义为1dB压缩点的输入信号电平与灵敏度（或基底噪声）之比1minidBliPDRP2、动态范围因对第二种放大器的处理，其输入一般基本恒定，故对系统动态范围的影响也不大。习题P882.4,2.5,2.7,2.13第二章通信系统中的基本单元电路在本章中我们将主要介绍通信系统中常见或常用的，必不可少的基本电路单元的工作原理。有了这些知识，我们就为分析、理解由这些电路集合而成的集成IC打下了一定的基础。这些单元电路有：滤波器放大器混频器振荡器2.1基本元件的高频特性一、电阻R实际的电阻有：线绕电阻、碳膜电阻、金属膜电阻、碳质电阻，半导体体电阻等主要特性指标有：电阻值，系列，额定功率、误差、温度特性，大小2.1基本元件的高频特性高频等效RLRCR存在谐振频率12RRRfLC趋势：小体积尺寸（贴片）、半导体体电阻2.1基本元件的高频特性一、电感L实际的电感：绕线电感：空绕电感磁芯线绕介质骨架镀膜等效电感：平面螺旋电感平面曲线电感2.1基本元件的高频特性主要特性指标：电感值、系列级别、额定电流、品质因素、温度特性、大小2.1基本元件的高频特性高频等效RLLCL存在谐振频率12LLfLC工作条件：ffL应用场合：扼流,滤波,匹配,谐振等2.1基本元件的高频特性三、电容C实际电容：电解电容、钽电解电容、瓷介质电容、独石电容、集成电容（反偏三极管）特性指标：电容量、额定耐压、温度特性、系列级别、品质因素2.1基本元件的高频特性高频等效LCRCCRp存在串联谐振频率：12CCfLC工作频率：ffC应用考虑：大、小电容并联使用1CCRQC2.2LC串并联谐振回路•电感线圈L与电容C构成的串并联回路在射频通信电路中的应用是非常广泛的，它们除了完成选频功能外，还可以进行阻抗变换等。2.2LC串并联谐振回路•2.2.1谐振的基本概念与特性并联串联电路结构L、C、G并联C、L、r串联激励信号源电流源IS电压源VS谐振角频率ω0=2πf0=ω0=2πf0=谐振阻抗Y(ω0)＝GZ(ω0)＝r品质因数Q==Q==谐振时电流(电压)IL=IC=QISVL=VC=QVSLC1LC1GC0LR0rL0Cr012.2LC串并联谐振回路•2.2.2选频特性(并联)ff0ω0ω1V/V0Q2Q1Q2Q1＞ω0ωπ/2-π/2φ并联谐振电路的幅频与相频特性曲线Q=品质因数K=dBBWBW31.0矩形系数2.2LC串并联谐振回路•结论：Q值越大，其电路的选频特性越好；相反，Q值越小，其电路的选频特性越差。另外，宽的通频带与好的选择性往往是矛盾的，在电路设计中要视情况进行折衷考虑。2.2LC串并联谐振回路•2.2.3选频特性(串联)应用串并联对偶特性，可以得到串联的幅频与相频特性曲线ω0ω1I/I0Q2Q1Q2Q1＞ω0ωπ/2-π/2φ2.2.4信号源内阻与负载电阻对谐振回路品质因数的影响串联型谐振回路有载品质因数rRRLQLSL0并联型谐振回路有载品质因数)(1LSPPLGGGLQ实际系统中考虑了信号源内阻及负载电阻影响后的有载品质因数0QQLSmith圆图•Smith圆图是解决传输线、阻抗匹配等问题极为有用的图形工具。为了简化反射系数的计算，P.H.Smith开发了以保角映射原理为基础