通信电路与系统-第七章

第七章第七章模拟通信系统设计模拟通信系统设计第七章第七章模拟通信系统设计模拟通信系统设计北京理工大学本章主要内容本章主要内容7-1调幅与调频系统的抗噪声性能7-2接收机中的干扰与噪声及其灵敏度7-3自动增益与自动频率控制北京理工大学27-0模拟通信系统设计中的关键问题70模拟通信系统设计中的关键问题‡模拟通信系统设计中的三个主要问题‡模拟通信系统设计中的三个主要问题（1）调制性能分析与设计（调制方式选择）（2）发射系统设计（发射效率、匹配问题）（3）接收系统设计（抗噪声性能接收性能分析）√（3）接收系统设计（抗噪声性能、接收性能分析）√北京理工大学37-1模拟调幅与调频系统的抗噪声性能7-1-1调制制度增益71模拟调幅与调频系统的抗噪声性能调制系统的抗噪声性能一般采用解调器的抗噪声性能来衡量分析解调器调制系统的抗噪声性能般采用解调器的抗噪声性能来衡量，分析解调器性能的模型如下带通解调器已调信号ui(t)ui(t)有用基带信号mo(t)滤波器解调器加性高斯白噪声n(t)ni(t)带通型噪声输出噪声no(t)解调器输入端的带通型噪声通常是一个窄带高斯噪声，可表示成ttnttntttVtncQcIciωωθωsin)(cos)()](cos[)()(−=+=同相分量正交分量222IQinnnσσσ==222()()()IQintntnt==平均功率:或如果解调器输入噪声ni(t)具有带宽B，则规定输入噪声平均功率为BntnNoii==)(2，no是噪声单边功率谱密度，在通带B内是恒定的北京理工大学47-1模拟调幅与调频系统的抗噪声性能7-1-1调制制度增益71模拟调幅与调频系统的抗噪声性能带通滤波器解调器已调信号ui(t)ui(t)ni(t)带通型噪声有用基带信号mo(t)输出噪声no(t)加性高斯白噪声n(t)为了衡量不同调制方式下的解调器抗噪声性能，定义调制制度增益iiooNSNSG==率比解调器输入信号噪声功率比解调器输出信号噪声功ii2220()()()iiiiiSututNnBnt⎛⎞==⎜⎟⎝⎠22()()oooSmtNnt⎛⎞=⎜⎟⎝⎠0()iint⎝⎠()oont⎝⎠¾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；G越大，解调器的抗噪声性能越好北京理工大学5改善程度；G越大，解调器的抗噪声性能越好7-1模拟调幅与调频系统的抗噪声性能7-1-1调制制度增益71模拟调幅与调频系统的抗噪声性能A幅度调制系统的抗噪声比较A.幅度调制系统的抗噪声比较2=−AMDSBSCG‹载波抑制双边带调幅，对应的调制制度增益1=−AMSSBG‹单边带调幅，对应的调制制度增益¾SSB信号仅取了DSB的一个边带所以其平均功率减少一半导致调制¾SSB信号仅取了DSB的一个边带，所以其平均功率减少一半，导致调制制度增益减少一倍；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32=AMG‹普通调幅，对应的调制制度增益3¾DSBSC-AM与SSB-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昀差的北京理工大学67-1模拟调幅与调频系统的抗噪声性能7-1-1调制制度增益71模拟调幅与调频系统的抗噪声性能B频率调制系统的抗噪声性能¾调频系统的G与调频指数mf的立方成正比B.频率调制系统的抗噪声性能方成正比¾信噪比的改善与信号带宽变化有很大关系；调幅波解调前后的)1(32)21(221,2,ffFMAMmFMFMiAMAAMiBmBmBAAPSPmSA⎪⎪⎪⎧≈+==⎯⎯→⎯==+==信号带宽分别为2F和F，带宽变化比值为2；而调频波解调前后的带宽分别为2(m+1)F和F变化比值)(5.45.432/22/)(3)/()/()1(222222AMFMfAMFMAMoFMfAMooFMooAMfAMfFMBBmAAAFnAmNSNSBmBmB⎪⎪⎪⎪⎪⎨====≈+=宽分别为2(mf+1)F和F，变化比值为2(mf+1)¾调频波解调前后带宽的变化比11)/()/(2)(,,,,,,fFMoAMoFMoAMoAMiFMiFMiAMiAMiFMiAMiiFMiiAMAMoAMAMoomBnBnBnBnSSSNSSNSNSFn⎪⎪⎪⎪⎪⎪+====值由调制制度增益GFM决定¾与AM比较，FM有”带宽换信噪比”特性有更高的抗噪声能力)1(5.4)/()/()/()/()/()/(2ffAMooFMooFMiiFMooFMmmSNSNSSNSNSG+===⇒⎪⎩噪比”特性，有更高的抗噪声能力¾FM鉴频时有明显的”门限效应”)1(332)1(5.4)1(5.4)1(5.4)/()/()/()/(222ffffAMffFMffAMiiFMiiAMiiAMooAMmmmmGmmGmmNSNSNSNSG+=×+=+=⇒+⇒北京理工大学73ffffff7-1模拟调幅与调频系统的抗噪声性能7-1-1调制制度增益71模拟调幅与调频系统的抗噪声性能C鉴频门限效应C.鉴频门限效应带通鉴频已调信号ui(t)调频信号uFM(t)有用基带信号mo(t)限幅低通带通滤波器鉴频加性高斯白噪声n(t)ni(t)带通型噪声输出噪声no(t)限幅低通解调器进入鉴频器的信息：FM波＋窄带高斯噪声，即)](cos[)()](cos[)()](cos[)()()(tttUtttVtttAtntuβωθωφω+=+++=+)](cos[)()](cos[)()](cos[)()()(tttUtttVtttAtntuccciFMβωθωφω+=+++=+∫Ω=tfdttukt0)()(φ其中，包含基带调制信号信息0¾调频信号与噪声的叠加，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北京理工大学87-1模拟调幅与调频系统的抗噪声性能7-1-1调制制度增益71模拟调幅与调频系统的抗噪声性能C鉴频门限效应C.鉴频门限效应‹鉴频器输入为大信噪比即AV时)](cos[)()](cos[)()](cos[)()()(tttUtttVtttAtntuccciFMβωθωφω+=+++=+‹鉴频器输入为大信噪比，即AV时()intUφ()intθβAVFM()utφβOsin()θφβφ⎡⎤−⎢⎥1(/)i[()(()())]AVttttφθφφ−+()(/)cos()arctgAVφβφθφ=+⎢⎥+−⎣⎦1(/)sin[()(()())]AVttttφθφφ≈+−≈[结论]:当输入信噪比较大时，鉴频器能解调出基带调制信息北京理工大学9[结论]:当输入信噪比较大时，鉴频器能解调出基带调制信息7-1模拟调幅与调频系统的抗噪声性能7-1-1调制制度增益71模拟调幅与调频系统的抗噪声性能C鉴频门限效应C.鉴频门限效应‹鉴频器输入为小信噪比，即AV时)](cos[)()](cos[)()](cos[)()()(tttUtttVtttAtntuccciFMβωθωφω+=+++=+‹鉴频器输入为小信噪比，即AV时UFM()utφ()intθβAVθβOsin()(/)cos()arctgVAφθβθφθ⎡⎤−=+⎢⎥+⎣⎦sin()AVφθθθ≈+−≈[结论]:当输入信噪比较小时，鉴频器输出仅由噪声项决定，无法恢复基带调制信息(/)cos()VAφθ⎢⎥+−⎣⎦()Vφ北京理工大学10无法恢复基带调制信息7-1模拟调幅与调频系统的抗噪声性能7-1-1调制制度增益71模拟调幅与调频系统的抗噪声性能C鉴频门限效应C.鉴频门限效应¾当输入信噪比较高时，鉴频器解调出基带调制信息；但当输入信噪比降低时，鉴频器基本没有有用信号输出，即输出信噪入信噪比降低时，鉴频器基本没有有用信号输出，即输出信噪比急剧下降，这种现象称为鉴频器的门限效应¾鉴频器具有提升大信号、抑制小信号的特点鉴频器具有提升大信号、抑制小信号的特点10fm=5mSNR鉴频器的门限效应：当鉴频器的输入信噪比降低到一个5fm=1fm=[dB]oSNR特定的数值后，其输出信噪比出现急剧恶化的一种现象；这种门限效应是由鉴频器的非线性解调作用引起的。当输出f[dB]iSNR频器的非线性解调作用引起的。当输出信噪比比原来正常情况低1dB时所对应的输入信噪比，为鉴频器的门限值北京理工大学11[d]iSN7-2接收机中的干扰与噪声7-2-1噪声和干扰72接收机中的干扰与噪声噪声来源内部: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、工业干扰等干扰和噪声给通信系统传输质量带来负面影响需要进行定量评估A.电阻热噪声干扰和噪声给通信系统传输质量带来负面影响，需要进行定量评估A.电阻热噪声24nUKTRB=一个阻值为R的电阻产生的热噪声电压均方值为，其中K=1.38×10−23(J/K)为玻尔兹曼常量；T为热力学温度(K)；B为测试设备的带宽(Hz)北京理工大学127-2接收机中的干扰与噪声7-2-1噪声和干扰72接收机中的干扰与噪声A电阻热噪声A.电阻热噪声¾在对电路进行噪声定量分析时，“有噪电阻”可以等效为“无噪电阻”与“噪声均方电压源”的串联模型结构无噪电阻”与“噪声均方电压源”的串联模型结构有噪R1无噪R1+R2有噪R2=4KT(R1+R2)B2nU北京理工大学137-2接收机中的干扰与噪声7-2-1噪声和干扰72接收机中的干扰与噪声B晶体管噪声B.晶体管噪声‹热噪声：晶体管体电阻产生‹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，从统计特性上可近似看成白噪声‹分配噪声：由于晶体三极管基区载流子复合的随机性起伏，导致射极电流在集电极和基极电流的分配上有起伏从而产生导致射极电流在集电极和基极电流的分配上有起伏，从而产生噪声‹闪烁噪声(1/f噪声)：低频段噪声，噪声功率与工作频率f近似成反比北京理工大学147-2接收机中的干扰与噪声7-2-1噪声和干扰72接收机中的干扰与噪声C电路噪声分析的基本思路C.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‹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端，合成总的输出噪声均方电压(功率);‹计算输入端噪声功率：将输出噪声均方电压除以网络正向传递的功率增益Ap，得到总的输入噪声均方电压(功率)p北京理工大学157-2接收机中的干扰与噪声7-2-2噪声系数72接收机中的干扰与噪声A噪声系数的定义A.噪声系数的定义噪声系数是接收机的一个重要技术指标；电路网络的噪声系数定义为接收机输入端信噪比与输出端(解调器输入端)信噪比之间的比值，即()//PPPPPPsuuP()()////sosisinnoninoniisononinpiPPPPPPFPPPPAPP====uuronAnoPPPPA/=为接收机的功率增益，iAPAP=为外部噪声(P)在网络输出端的噪声功率sisopPPA/为接收机的功率增益，nipnAPAPo为外部噪声(Pni)在网络输出端的噪声功率,onBP设为接收机内部噪声在网络输出端的噪声功率;则pnBnAnBnAnBnAnAnoAPPPPPPPPFo/1/1/)(/+=+=+==ARUPP接收机ninAnBnAnBnAnAnoPoooooo)(sAUnAUsiPniPsoPnoPLR接收机线性电路功率增益Ap北京理工大学167-2接收机中的干扰与噪声7-2-2噪声系数72接收机中的干扰与噪声A噪声系数的定义A.噪声系数的定义pnBnAnBnAnBnAnAnoPAPPPPPPPPFooooooo/1/1/)(/+=+=+==‹理想接收机内部无噪声，则F=1niP‹噪声系数可视为“输出总噪声功率”与“外部噪声在输出端的噪声功率”之比端的噪声功率之比‹噪声系数实质上描述的是实际接收机输出噪声功率较理想接收机输出声功率化的倍数接收机输出噪声功率恶化的倍数北京理工大学177-2接收机中的干扰与噪