第3版-01電子通信概論課件

1、通信電子線路(第三版)顧寶良 編著19 七月 202211 引言12 通信頻率的分配13 通信系統(tǒng)的組成14 調(diào)制解調(diào)的提出15 噪聲系數(shù)與接收靈敏度16 非線性失真與干擾17 信號(hào)的選頻濾波器19 七月 202211 引言通信是將信息（消息）由一個(gè)地方傳向另一個(gè)地方（或多個(gè)地方），現(xiàn)代通信通常都是采用電信號(hào)來完成這一傳遞過程?，F(xiàn)代通信實(shí)質(zhì)上就是電子通信，即電通信，以下簡(jiǎn)稱為通信。通信中所傳遞的消息有各種不同的形式，例如：語(yǔ)音、音樂、圖像、文字、數(shù)據(jù)、符號(hào)等等。根據(jù)所傳遞消息的不同現(xiàn)代通信業(yè)務(wù)可分為：電話、傳真、電報(bào)、可視電話、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊龋鴱膹V義的角度來看，則廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙控、

2、遙測(cè)等也屬于通信范疇。19 七月 2022 11 引言1837年摩爾斯（Samuel Morse）利用電磁感應(yīng)在一個(gè)簡(jiǎn)單的、由一根金屬長(zhǎng)線構(gòu)成的簡(jiǎn)易收發(fā)機(jī)之間以點(diǎn)、劃和空格形式傳遞信息的裝置，作為第一個(gè)電子通信系統(tǒng)。1876年貝爾（Alexander Graham Bell）和華迪生（Thomas A Watson）發(fā)明的電話機(jī)。這就是以金屬導(dǎo)線為傳輸媒質(zhì)的簡(jiǎn)單的有線通信方式。1873年麥克斯韋（James C. Maxwell）發(fā)表了電磁輻射理論，為無(wú)線電通信奠定了理論基礎(chǔ)。1894年馬可尼（Guglielmo Marconi）試驗(yàn)無(wú)線電通信獲得成功，從而開辟了無(wú)線電通信的廣闊發(fā)展道路。19

3、04年開始出現(xiàn)真空管電子器件，從而使通信設(shè)備有了飛速的發(fā)展，相繼出現(xiàn)有較高水平的有線通信和長(zhǎng)波、中波及短波一類的較高水平的無(wú)線電通信。19 七月 2022 11 引言1920年出現(xiàn)無(wú)線電廣播，1930年出現(xiàn)無(wú)線電視（TV）。20世紀(jì)30年代后出現(xiàn)半導(dǎo)體器件（1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第一只晶體管）。1958年德州儀器公司發(fā)明了第一塊集成電路），從而使通信設(shè)備的發(fā)展又踏上一個(gè)新的里程碑。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展對(duì)通信技術(shù)的迅速發(fā)展起了決定性的作用。1955年皮爾斯提出了利用人造衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球通信的設(shè)想，1957年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik I。1960年美國(guó)用ATLAS衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星廣

4、播，從而開辟了衛(wèi)星通信的新領(lǐng)域。19 七月 2022 11 引言 20世紀(jì)60、70年代又出現(xiàn)了“光纖通信”和“計(jì)算機(jī)通信”。1980年出現(xiàn)了移動(dòng)通信，1990年出現(xiàn)了全球定位GPS系統(tǒng)，從而使通信更加快速，內(nèi)容更加豐富。19 七月 2022 11 引言有線通信電信號(hào)通過導(dǎo)線、電纜線、光纜線（光纖通信）等有線媒體傳遞信息的。 無(wú)線通信利用無(wú)線電磁波作為信息載體的通信方式，所利用的通信頻道通常在30MHZ到30GMHZ這個(gè)寬廣的頻率范圍內(nèi)（且不包含230MHZ的短波無(wú)線通信）。 由于無(wú)線通信的快速發(fā)展，就要求設(shè)計(jì)出工作頻率高的、穩(wěn)定可靠的濾波器、低噪聲放大器LNA、混頻器、射頻功率放大器RFPA

5、、射頻振蕩器（包括頻率合成器）、調(diào)制解調(diào)器等通信電路和通信集成電路。通常這些電路的工作頻率都高于1GHZ以上，在這樣高的工作頻率下設(shè)計(jì)通信電路和通信集成電路時(shí)，必須考慮低頻電路中沒有遇到的一系列高頻問題。19 七月 202212通信頻率的分配電信號(hào)的頻率是一個(gè)周期性運(yùn)動(dòng)，例如電壓或電流的正弦波，在一個(gè)給定的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)就是頻率的定義。波形的每一個(gè)完整的交替為一個(gè)周期，所以頻率就是每秒鐘內(nèi)的周期數(shù)，頻率的基本單位是赫茲（Hz）。圖121 電信號(hào)的頻譜圖表示了全部電信號(hào)的頻譜，和各種通信業(yè)務(wù)所使用頻率的大約位置 19 七月 2022 12通信頻率的分配波長(zhǎng)與頻率、速度之間的關(guān)系的數(shù)字表達(dá)式為：

6、 式中為波長(zhǎng)，單位為米（m）；c為光速，c= 3108m/s；f為頻率，單位為赫茲（Hz）。 19 七月 2022頻帶號(hào)頻率范圍名稱230Hz300HzELF(極低頻)30.3kHz3kHzVF(話音頻率)43kHz30kHzVLF(甚低頻)5678910111213141516171819 30kHz300kHz0.3MHz3MHz3MHz30MHz30MHz300MHz300MHz3GHz3GHz30GHz30GHz300GHz0.3THz3THz3THz30THz30THz300THz0.3PHz3PHz3PHz30PHz30PHz300PHz0.3EHz3EHz3EHz30EHzLF(

7、低頻)MF(中頻)HF(高頻)VHF(甚高頻)UHF(特高頻)SHF(超高頻)EHF(極高頻)紅外光紅外光紅外光可見光紫外光X射線伽馬射線宇宙射線表121CCIR波段名稱19 七月 2022 12通信頻率的分配 極低頻段(Extremely low frequencies，簡(jiǎn)稱ELF)是30Hz300Hz范圍內(nèi)的信號(hào)，包含工業(yè)交流電50Hz(國(guó)際為60Hz)和低頻遙測(cè)信號(hào)，以及海洋聲納信號(hào)等。 話音頻率(Voice frequencies，簡(jiǎn)稱VF)是300Hz到3000Hz范圍內(nèi)的電信號(hào)，包含人類語(yǔ)音頻率，標(biāo)準(zhǔn)電話信道帶寬為300Hz3KHz，通稱話音頻率。 甚低頻段(Very low fr

8、equencies，簡(jiǎn)稱VLF)是3KHz30KHz范圍內(nèi)的信號(hào)，它包含人類聽覺范圍的高端。VLF用于某些特殊的政府或軍事系統(tǒng)通信，以及海軍潛艇通信、導(dǎo)航等。 低頻段（Low frequencies，簡(jiǎn)稱LF）是30KHz300KHz范圍內(nèi)的信號(hào)，主要用于船舶導(dǎo)航和航空導(dǎo)航，以及電力通信等。 中頻段（Medium frequencies，簡(jiǎn)稱MF）是300KHz3MHz范圍內(nèi)的信號(hào)，主要用于商業(yè)AM廣播(535KHz1605KHz)。19 七月 202212通信頻率的分配 高頻(High frequencies，簡(jiǎn)稱HF)是3MHz30MHz范圍內(nèi)的信號(hào)，常稱為短波段（short wave）。

9、大多數(shù)雙向無(wú)線電通信使用這個(gè)頻段，國(guó)際無(wú)線AM廣播也都在頻段。一些單邊帶軍用通信和商業(yè)通信也常用這個(gè)頻段，業(yè)余無(wú)線電和民用電臺(tái)也使用HF波段。 甚高頻(Very High frequencies，簡(jiǎn)稱VHF)是30MHz300MHz范圍內(nèi)的信號(hào)，常用于移動(dòng)車載通信，商業(yè)FM廣播（88MHz108MHz）及213頻道（54MHz216MHz）的商業(yè)電視廣播。 特高頻段(Ultra High frequencies，簡(jiǎn)稱UHF)是300MHz3GHz范圍內(nèi)的信號(hào)，由商業(yè)電視廣播的頻道1483、陸地移動(dòng)通信業(yè)務(wù)、蜂窩移動(dòng)電話、某些雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)、微波及衛(wèi)星無(wú)線電系統(tǒng)所使用。1GHz以上的頻率通常被認(rèn)

10、為是微波頻率，因此UHF的高端是屬于微波段。19 七月 202212通信頻率的分配 超高頻段（Superhigh frequencies，簡(jiǎn)稱SHF）是3GHz30GHz范圍內(nèi)的信號(hào)，這是微波及衛(wèi)星無(wú)線電通信系統(tǒng)所使用的頻率。 極高頻段（Extremely high frequencies，簡(jiǎn)稱EHF）是30GHz300GHz范圍內(nèi)的信號(hào)，隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，該波段也已經(jīng)開始應(yīng)用于無(wú)線電通信和衛(wèi)星通信。UHF、SHF、EHF三個(gè)頻段是微波頻段，EHF頻段稱之為毫米波頻段，因?yàn)樵擃l率范圍電磁波的波長(zhǎng)在毫米范圍。同時(shí)，人們將0.3GHZ到（45GHZ）C波段稱之為射頻頻段。 19 七月 202

11、212通信頻率的分配 紅外（Infrared）是0.3THz300 THz范圍內(nèi)的電信號(hào)，用于熱尋制導(dǎo)系統(tǒng)、遙控、電子攝影及天文文學(xué)。紅外通常不認(rèn)為是無(wú)線電波，而認(rèn)為是與熱有關(guān)的電磁輻射射線。 可見光（Visible light）是人類可見范圍0.3PHz3PHz內(nèi)的電磁波。使用于光波通信、光纖通信等，近年來已成為電子通信系統(tǒng)的一種重要傳播媒體。19 七月 2022 根據(jù)電信號(hào)傳遞的媒質(zhì)不同，通信可分為有線通信和無(wú)線通信兩大類。 有線通信指電信號(hào)通過導(dǎo)線、電纜線、光纜線等有線媒質(zhì)傳遞的。 無(wú)線通信指電信號(hào)利用空間電磁波的傳播來作為媒質(zhì)傳遞的。13通信系統(tǒng)的組成1通信系統(tǒng)的模型19 七月 202

12、213通信系統(tǒng)的組成1通信系統(tǒng)的模型 發(fā)送端的信息源的作用是把各種各樣的消息變換成原始的電信號(hào)，即源電信號(hào)。 信道就是傳遞電信號(hào)的媒質(zhì)，對(duì)有線通信是指?jìng)鬏攲?dǎo)線，電纜線，光纖電纜等，對(duì)無(wú)線通信是指空間傳播電磁波。 接收設(shè)備是將信道送來的已調(diào)載頻電信號(hào)變換成原始電信號(hào)， 送給受信者。 受信者是將原始電信號(hào)變換成消息，這樣就完成了消息的傳遞過程。圖131 通信系統(tǒng)的模型19 七月 202213通信系統(tǒng)的組成12模擬通信與數(shù)字通信按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可以把通信系統(tǒng)分為兩類，即模擬通信系統(tǒng) 和數(shù)字通信系統(tǒng)。圖132 模擬通信系統(tǒng)模型模擬通信系統(tǒng)傳送的是模擬信號(hào),發(fā)送端的信息源是將要傳

13、送的話音、音樂、圖像等連續(xù)變化的模擬信息，轉(zhuǎn)變成連續(xù)變化的原始電信號(hào)。數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號(hào)的，在發(fā)送端必須把由信息源產(chǎn)生的連續(xù)變化的模擬基帶信號(hào)，變換成離散的數(shù)字脈沖信號(hào)。 19 七月 202213通信系統(tǒng)的組成12模擬通信與數(shù)字通信按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可以把通信系統(tǒng)分為兩類，即模擬通信系統(tǒng) 和數(shù)字通信系統(tǒng)。圖132 模擬通信系統(tǒng)模型 基帶信號(hào)頻率較低攜帶信息的原始電信號(hào)。 調(diào)制把基帶信號(hào)變換成頻率較高，適合在信道中傳輸?shù)碾娦盘?hào)的變換過程。 調(diào)制器實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能的電路。19 七月 202213通信系統(tǒng)的組成12模擬通信與數(shù)字通信 已調(diào)信號(hào)調(diào)制后的電信號(hào)，是攜帶信息且適合在

14、信道中傳輸?shù)碾娦盘?hào)。 解調(diào)在接收端，為了獲取所傳輸?shù)男畔?，必須將信道送來的已調(diào)信號(hào)，再變換成基帶信號(hào)的變換過程。 解調(diào)器實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能的電路。 解調(diào)輸出的基帶信號(hào)，還必須由模擬終端重新恢復(fù)成連續(xù)變化的模擬信息(話音、音樂和圖像等)。模擬通信系統(tǒng)圖132 模擬通信系統(tǒng)模型19 七月 202213通信系統(tǒng)的組成12模擬通信與數(shù)字通信 在發(fā)送端必須把由信息源產(chǎn)生的連續(xù)變化的模擬基帶信號(hào)，變換成離散的數(shù)字脈沖信號(hào). AD變換器(ADC)是用來完成上述采樣數(shù)字變換功能的電路。 為提高數(shù)字信號(hào)的傳輸效果，增強(qiáng)抗干擾能力和便于計(jì)算機(jī)處理，要對(duì)ADC輸出的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行編碼處理。 為了使通信具有保密性，可以再

15、對(duì)編碼前的數(shù)字脈沖信號(hào)先進(jìn)行加密處理。 經(jīng)過這些處理以后就形成了數(shù)字基帶信號(hào)m(t)，就可以送入數(shù)字調(diào)制器中進(jìn)行數(shù)字調(diào)制了。圖133 數(shù)字通信系統(tǒng)模型19 七月 202213通信系統(tǒng)的組成12模擬通信與數(shù)字通信 數(shù)字調(diào)制器輸出的帶有數(shù)字信息的已調(diào)信號(hào)，是可以在信道中傳輸?shù)?。接收端收到?shù)字已調(diào)信號(hào)后，送入解調(diào)器解出原數(shù)字基帶信號(hào)m(t)。再經(jīng)譯碼、解密處理后恢復(fù)出原始數(shù)字信號(hào)。然后，再由DA變換器，即DAC變換成連續(xù)的原始模擬電信號(hào)。模擬電信號(hào)由模擬終端恢復(fù)出所要獲取的模擬信息。 在數(shù)字通信中有時(shí)往往所要獲取的僅僅是數(shù)字信息，因而其終端也用數(shù)字終端。圖133 數(shù)字通信系統(tǒng)模型19 七月 2022

16、13通信系統(tǒng)的組成13通信信道及其特性通信信道起著連接發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的作用，現(xiàn)代通信系統(tǒng)的信道主要有如下四種：1、有線信道：這里的有線信道是指現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)、雙絞線網(wǎng)絡(luò)和同軸電纜網(wǎng)絡(luò)等。2、光纖信道：光纖信道是近幾年發(fā)展起來的寬帶信道，其信道帶寬要比同軸電纜的帶寬高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。光纖通信的發(fā)展有賴于光電子器件和光集成電路的研發(fā)。由于光纖的信道帶寬極寬，可以為用戶提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、傳真、圖像和視頻等一系列服務(wù)，以后光纖信道將會(huì)逐步取代電話網(wǎng)絡(luò)中的有線信道。19 七月 202213通信系統(tǒng)的組成13通信信道及其特性3、無(wú)線電磁信道：在無(wú)線通信系統(tǒng)中電磁能量是靠天線輻射產(chǎn)生電磁場(chǎng)波在空中傳播的，電磁

17、場(chǎng)波在空中的傳播通常有三種傳播模式，即地波、天波和視線直射波等。1） 地波：當(dāng)頻率較低時(shí)（0.33MHZ），地波是主要的傳播模式，最大傳播距離可達(dá)160公里。而此時(shí)大氣噪聲，工業(yè)干擾噪聲和接收機(jī)電子器件熱噪聲是信道的主要干擾。2） 天波：天波是由電離層反射實(shí)現(xiàn)傳播的模式，它的頻率主要在230MHZ的短波段為主，傳輸距離可達(dá)數(shù)百公里以上。3） 視線直射波：在頻率很高時(shí)，電磁波以視線直射的方式傳播。對(duì)地面通信系統(tǒng)，發(fā)射和天線之間必須要求直接可視而無(wú)障礙。頻率達(dá)到紅外和可見光區(qū)的電磁波，可被用于視線光通信，如衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。19 七月 202213通信系統(tǒng)的組成13通信信道及其特性4、水下聲頻信道：

18、目前海洋勘探活動(dòng)愈來愈多，實(shí)踐中必須將水下傳感器收集的數(shù)據(jù)傳到海面，然后通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)收集中心。電磁波在水下只能傳播很短的距離，相反，聲波信號(hào)可以傳播幾十到幾百公里。因此，水下只能采用聲波信道實(shí)現(xiàn)通信。例如水下的聲納通信系統(tǒng)，海軍的艦船水下通信，魚雷的通信和控制等都采用水下聲頻信道。19 七月 202213通信系統(tǒng)的組成14 信息帶寬與信道帶寬帶寬和信噪比是通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。信息帶寬：該信號(hào)中包含的最高和最低頻率之差。通信信道的帶寬：該信道允許通過的最高頻率和最低之差(即通帶)。實(shí)踐中，通信信道的帶寬必須足夠大(寬)，以保證能通過所有的信息頻率。 信息帶寬還與已調(diào)信號(hào)的調(diào)制方式有

19、關(guān)。對(duì)不同的已調(diào)信號(hào)應(yīng)根據(jù)需要選用相應(yīng)的通信信道帶寬。通信系統(tǒng)的信道帶寬通常簡(jiǎn)稱系統(tǒng)帶寬。系統(tǒng)帶寬和信息帶寬都用符號(hào)B表示，單位為赫茲(Hz)。19 七月 202213通信系統(tǒng)的組成15通信方式圖134 通信方式示意圖 如果通信僅在點(diǎn)與點(diǎn)之間進(jìn)行，按消息傳送的方向與時(shí)間，通信的方式分為: 1. 單工通信：指消息只能單方向進(jìn)行傳輸?shù)墓ぷ鞣绞健?2.半雙工通信：指通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)的工作方式。 3. 全雙工通信：通信雙方可同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸消息的工作方式。19 七月 202214調(diào)制解調(diào)的提出 通信系統(tǒng)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)使用電子電路傳輸、接收和處理電子信息的過程。通信中需要

20、調(diào)制的原因： 1、基帶信號(hào)是攜帶信息的低頻信號(hào)，要想從天線上以電磁能量形成輻射傳送是很困難的； 2、通常傳送各種信息的基帶信號(hào)幾乎是占有相同的頻帶，若要同時(shí)發(fā)射必然會(huì)相互干擾，無(wú)法接收。19 七月 202214調(diào)制解調(diào)的提出 實(shí)用中的調(diào)幅（AM）或調(diào)頻（FM）廣播電臺(tái)在播送語(yǔ)音及音樂信號(hào)時(shí)，將0.3KHz15KHz的頻率范圍的基帶信號(hào)調(diào)制到可以從天線上以電磁能量輻射傳送的高頻振蕩上來實(shí)現(xiàn)廣播的。這種可以輻射的高頻振蕩稱之射頻，它可以受基帶信號(hào)的調(diào)制，又稱之載頻（或載波）。 載波在調(diào)制器中被基帶信號(hào)調(diào)制以后，就轉(zhuǎn)換成具有一定帶寬的已調(diào)波，這也就需要具有一定帶寬的頻道來傳送。 AM廣播中每個(gè)頻道占

21、有帶寬約為10KHz； FM廣播中的頻道則占有帶寬約為150KHz； 微波和衛(wèi)星通信則需要30MHz以上帶寬。 19 七月 202214調(diào)制解調(diào)的提出 射頻載波信號(hào)是一個(gè)電壓或電流的時(shí)變正弦信號(hào)，它的電壓正弦高頻振蕩可以用如下關(guān)系式表達(dá)：時(shí)變正弦電壓信號(hào)。正弦電壓信號(hào)的峰值幅度（伏特V）正弦電壓信號(hào)的頻率（赫茲Hz）正弦電壓信號(hào)的相位（弧度rad）19 七月 202214調(diào)制解調(diào)的提出 如果基帶調(diào)制信號(hào)是模擬的，且載波的幅度Um受控于基帶調(diào)制信號(hào)正比變化，則產(chǎn)生幅度調(diào)制AM，其中載波的角頻率 和相位 保持恒值。 當(dāng)載波的角頻率 受控于基帶調(diào)制信號(hào)正比變化，則產(chǎn)生頻率調(diào)制FM。該調(diào)制FM波的幅度

22、Um和相位 則保持恒值。 當(dāng)載波的相位 受控于基帶調(diào)制相位正比變化時(shí)，則產(chǎn)生相位調(diào)制PM，此時(shí)PM波的Um和也將保持不變。 射頻載波信號(hào)19 七月 2022 14調(diào)制解調(diào)的提出 如果基帶調(diào)制信號(hào)是數(shù)字的，且載波的幅度Um 隨數(shù)字基帶信號(hào)m(t) 正比變化，則產(chǎn)生的數(shù)字已調(diào)信號(hào)稱為移幅鍵控ASK信號(hào)。 若載波的角頻率正比變化，隨m(t) 正比變化，則產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)為移頻鍵控FSK信號(hào)。 若載波的相位隨m(t) 正比變化，則產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)是移相鍵控PSK信號(hào)。 如果載頻的幅度和相位兩者隨數(shù)字基帶信號(hào)正比變化，則所產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)是正交幅度調(diào)制QAM。 射頻載波信號(hào)19 七月 202214調(diào)制解調(diào)的提

23、出調(diào)制信號(hào) 實(shí)現(xiàn)調(diào)制模擬AM FM PM ASK FSK PSKQAM數(shù)字19 七月 202214調(diào)制解調(diào)的提出 在接收機(jī)中，已調(diào)信號(hào)被放大、變頻、中放后，必須通過解調(diào)從已調(diào)波中恢復(fù)出基帶信號(hào)。然后，將恢復(fù)出的基帶信號(hào)再放大后送給受信者處理。因此，解調(diào)也是通信中必需的一項(xiàng)技術(shù)。 解調(diào)是將已調(diào)波變換為攜帶信息的基帶信號(hào)，它是調(diào)制的逆過程。 對(duì)應(yīng)調(diào)制也應(yīng)該有AM解調(diào)(包絡(luò)檢波和同步檢波)、FM解調(diào)(鑒頻)、PM解調(diào)(鑒相)以及各種數(shù)字解調(diào)等。19 七月 2022 15 噪聲系數(shù)與接收靈敏度 151 噪聲 噪聲是指落入信息信號(hào)通帶內(nèi)的任何不需要的信號(hào)。失真和干擾從定義的角度來講，也應(yīng)屬于噪聲范疇。圖

24、151 噪聲對(duì)信號(hào)的影響 干擾由系統(tǒng)外部產(chǎn)生的噪聲。 失真(線性失真和非線性失真)則是由系統(tǒng)電路產(chǎn)生的，當(dāng)然系統(tǒng)電路也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部噪聲。19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度151噪聲噪聲非相關(guān)噪聲:相關(guān)噪聲:無(wú)論信息信號(hào)是否出現(xiàn),在任何時(shí)間都存在僅在信息信號(hào)出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生，信號(hào)的失真和無(wú)用信號(hào)的干擾等都屬于相關(guān)噪聲。非相關(guān)噪聲還可以劃分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲兩大類.1、外部噪聲： 外部噪聲是由系統(tǒng)外部產(chǎn)生的噪聲。 其主要來源有：大氣噪聲、宇宙噪聲和人為噪聲(工業(yè)干擾)。 外部噪聲又稱外界環(huán)境噪聲，它是通過通信系統(tǒng)的天線進(jìn)入而形成干擾的。 19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度151噪

25、聲圖152 多種源的平均無(wú)線電噪聲功率譜密度，確定了通信接收機(jī)的噪聲系數(shù)19 七月 2022 15噪聲系數(shù)與接收靈敏度 151噪聲 2、內(nèi)部噪聲: 內(nèi)部噪聲主要來自通信系統(tǒng)內(nèi)部電路器件，電路中的電阻是無(wú)源器件噪聲源，而二極管、晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管等則是有源器件噪聲源。 這些噪聲源所產(chǎn)生的噪聲可分為熱噪聲、散粒噪聲、分配噪聲和閃爍噪聲等 散粒噪聲、分配噪聲和閃爍噪聲等是由有源器件產(chǎn)生的。 熱噪聲則在無(wú)源和有源器件中都會(huì)出現(xiàn)。 19 七月 2022 15噪聲系數(shù)與接收靈敏度 152電阻熱噪聲 1、熱噪聲: 熱噪聲(布朗噪聲)由電阻(或?qū)w)內(nèi)的自由電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。自由電子的熱運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。 1

26、927年貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰遜（JBJohnson）通過實(shí)驗(yàn)證明了熱噪聲的平均功率正比于帶寬和溫度的乘積: N噪聲功率（即噪聲平均功率，單位W）；B帶寬（Hz）； T絕對(duì)溫度（K）（室溫=27+273=300K）在絕對(duì)溫度為零時(shí)，沒有自由電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，即熱噪聲為零。19 七月 2022 15噪聲系數(shù)與接收靈敏度 152電阻熱噪聲 1、熱噪聲: 工程中噪聲功率常用對(duì)數(shù)函數(shù)功率單位dBm表示，一個(gè)dBm的對(duì)數(shù)函數(shù)表達(dá)式為： 由式中可知，1mV功率為0dBm。N1mw時(shí)，dBm為正，N1mw時(shí)，則dBm為負(fù)值。在室溫17，對(duì)任何帶寬的噪聲功率可用下式計(jì)算 19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度1

27、52電阻熱噪聲 1、熱噪聲: 討論: 1、在整個(gè)頻段內(nèi)，當(dāng)溫度一定時(shí)，在固定帶寬的任何頻率范圍，其熱噪聲功率是個(gè)定值。也就是說，在工作頻段內(nèi)熱噪聲的功率在頻譜上是均勻分布的。因此，工程中又把功率頻譜密度均勻分布的熱噪聲，稱之“白噪聲” 。 2、N是指熱噪聲源的額定輸出功率，即電阻熱噪聲源可能輸出的最大功率。顯然，電阻熱噪聲的額定功率僅與溫度和通帶有關(guān)，而與本身電阻和負(fù)載無(wú)關(guān)。 19 七月 2022 15噪聲系數(shù)與接收靈敏度 152電阻熱噪聲 2、功率譜密度與噪聲帶寬 在最壞情況下，噪聲功率傳送到負(fù)載R上的條件是R=RN。因此，R和RN兩端的噪聲電壓降都將等于等效噪聲源的一半: 圖153 噪聲源

28、等效電路 噪聲電壓均方值:在單位帶寬（1Hz）內(nèi)的噪聲電壓均方值：電壓均方頻譜密度電阻熱噪聲的功率譜密度S(f )19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度152電阻熱噪聲 2、功率譜密度與噪聲帶寬 由于帶通線性系統(tǒng)的濾波作用，濾除了熱噪聲中的一部分頻率分量，使其頻率發(fā)生了變化，功率頻譜密度變成了頻率的函數(shù)。 圖154 熱噪聲通過線性電路對(duì)功率頻譜密度的變化系統(tǒng)輸出端的噪聲電壓均方值：19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度152電阻熱噪聲 2、功率譜密度與噪聲帶寬 工程中將系統(tǒng)功率傳輸函數(shù)H2(f )曲線與f 軸之間的面積與功率傳輸函數(shù)的比值定義為BN，即 圖155 等效噪聲帶寬示

29、意圖等效噪聲帶寬為f = fo時(shí)的功率傳輸函數(shù)值19 七月 2022 15噪聲系數(shù)與接收靈敏度 152電阻熱噪聲 2、功率譜密度與噪聲帶寬 電阻熱噪聲通過帶通線性系統(tǒng)以后，其輸出電壓均方值是熱噪聲功率譜密度S(f )與功率傳輸函數(shù)H2(f )和等效噪聲帶寬BN的乘積。 晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管，只要是電阻熱噪聲或在有效帶寬內(nèi)功率分布均勻的噪聲，都可以由上式來求得輸出噪聲電壓均方值。其中，晶體三極管的發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的半導(dǎo)體體電阻和三個(gè)極的引線電阻等都會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，而且以基區(qū)體電阻rbb為主,就是電阻熱噪聲，即場(chǎng)效應(yīng)管則具有溝道熱噪聲，其電流功率頻譜密度為19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收

30、靈敏度153噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度1、噪聲系數(shù) 用信號(hào)功率S與噪聲功率N之比，即信噪比SN來衡量信號(hào)的質(zhì)量。信噪比SN越大，信號(hào)質(zhì)量越好。 輸出信噪比相對(duì)輸入信噪比的變化，可以明確地表明電路的噪聲性能。定義輸入信噪比和輸出信噪比的比值為噪聲因數(shù)F，即輸入信噪功率比 輸出信噪功率比 19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度153噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度1、噪聲系數(shù) 將噪聲因數(shù)F用對(duì)數(shù)表示，就是噪聲系數(shù)NF，即 噪聲系數(shù)NF明確地表明了當(dāng)一個(gè)信號(hào)從電路的輸入傳到輸出端時(shí)，信噪比惡化的程度。例如，噪聲系數(shù)為3dB的放大器表明輸出端的信噪比比輸入端小3dB。對(duì)一個(gè)理想的無(wú)噪聲放大器，噪聲因數(shù)F=1

31、，噪聲系數(shù)NF=0dB。19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度153噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度1、噪聲系數(shù) 通信系統(tǒng)中接收機(jī)和發(fā)射機(jī)都是由多級(jí)單元電路組成，每個(gè)單元電路都有噪聲，信號(hào)通過這些接收通道電路后，其輸出信噪比將變差。為計(jì)算信噪比變差的程度，就要求算出接收機(jī)的總噪聲系數(shù)，即必須求算出多級(jí)級(jí)聯(lián)電路的總噪聲系數(shù)。圖157 兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)計(jì)算19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度153噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度1、噪聲系數(shù) 圖中輸入、輸出信號(hào)功率為Si 、So，輸入、輸出噪聲功率為Ni 、No。第一級(jí)的輸入噪聲Ni1和第二級(jí)的輸出噪聲Ni2分別是各級(jí)電路內(nèi)電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率

32、，即Ni1=Ni2= kTB。第一級(jí)的輸出噪聲功率:第一級(jí)電路的內(nèi)部噪聲功率: 第一級(jí)電路的噪聲因數(shù) 第一級(jí)的功率增益 圖157 兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)計(jì)算19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度1 53噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度1、噪聲系數(shù) 同理，可求得第二級(jí)電路的內(nèi)部噪聲功率 :第一級(jí)電路的內(nèi)部噪聲功率: 兩級(jí)的輸出噪聲功率: 圖167 兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)計(jì)算19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度153噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度1、噪聲系數(shù) 推廣，n級(jí)級(jí)聯(lián)電路的總噪聲因數(shù) :兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路總噪聲因數(shù): 為了降低多級(jí)電路總噪聲系數(shù)，往往要盡量降低第一級(jí)、甚至第二級(jí)的噪聲系數(shù)。這就是接

33、收機(jī)的前端放大器（第一級(jí)或第二級(jí)電路）必須采用低噪聲放大器的原因。 圖167 兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)計(jì)算19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度1 53噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度2、等效噪聲溫度 對(duì)任何一個(gè)線性電路所產(chǎn)生的熱噪聲輸出，都可以用溫度為TN和處于電路輸入端的電阻熱噪聲功率來等效，即 NA為電路熱噪聲輸出功率，NiA為NA折算到電路輸入端的熱噪聲功率，G為電路功率增益。而電路輸入熱噪聲Ni是由信號(hào)源內(nèi)阻RS，處于環(huán)境溫度T所產(chǎn)生的熱噪聲， 19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度153噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度2、等效噪聲溫度 噪聲因數(shù) : TN表明一個(gè)信號(hào)在通過一個(gè)接收機(jī)傳輸時(shí)

34、，信噪比降低的程度。TN越小，接收機(jī)的質(zhì)量就越好。TN的典型值范圍通常從20K到4000K左右。 等效噪聲溫度:19 七月 202215 噪聲系數(shù)與接收靈敏度154接收靈敏度 (定義1)接收靈敏度S(dBm) 接收機(jī)接收微弱有用信號(hào)能力的一個(gè)重要指標(biāo)。 它定義為在保證必要的輸出信噪比條件下，接收機(jī)輸入端所需的最小有用信號(hào)電平。該電平越低，則接收靈敏度越高，表示接收微弱信號(hào)的能力也越強(qiáng)。 令輸出信噪比為: 在室溫17,T = 290 K時(shí)，接收靈敏度關(guān)系式為19 七月 202215噪聲系數(shù)與接收靈敏度154接收靈敏度 (定義2)接收靈敏度用輸入信號(hào)電壓幅值EA(V)來表示，這個(gè)輸入信號(hào)為產(chǎn)生比接

35、收機(jī)噪聲因數(shù)大10dB的音頻輸出所必須的輸入信號(hào)電壓幅值EA。 接收機(jī)噪聲系數(shù)NF和靈敏度EA之間的關(guān)系：EA接收靈敏度，單位VRA天線等效阻抗，單位接收機(jī)輸出信噪比，無(wú)量綱。若已知D(dB)=12dB時(shí)，必須用D= 15.85代入計(jì)算。 BN接收機(jī)噪聲帶寬, 常用通道帶寬計(jì)算,但單位必須用KHz。 F 接收機(jī)的噪聲因數(shù)，無(wú)量綱。 接收機(jī)的噪聲系數(shù)大,靈敏度就低;噪聲系數(shù)小,靈敏度就高。 19 七月 2022 16非線性失真與干擾 失真從廣義角度而言也屬于噪聲范疇，失真有線性失真和非線性失真，它們是由系統(tǒng)產(chǎn)生的，都屬于相關(guān)噪聲。 線性失真通常是由電路的頻響特性而造成的信號(hào)波形失真，是屬于頻域失

36、真,不會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量。 非線性失真是由電路器件的非線性特性造成的，在頻域中它區(qū)別于線性失真的特點(diǎn)，是會(huì)產(chǎn)生大量新的頻率分量。 電路的有源器件都是非線性器件，例如二極管、雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管等。在放大器中，為使信號(hào)實(shí)現(xiàn)不失真線性放大，必須調(diào)整合適的工作點(diǎn)，必須限制信號(hào)的幅度。但在通信中的混頻、調(diào)制和解調(diào)等，是必須利用非線性特性來實(shí)現(xiàn)這些頻譜搬移功能的。19 七月 202216非線性失真與干擾161非線性器件的特性描述 有源器件根據(jù)輸入信號(hào)幅度的大小，通常可以用三種逼近方法來描述其非線性特性。第一種是用解析函數(shù)來描述器件的伏安特性:1、正向?qū)ǖ亩O管:2、雙極型晶體管：圖161 非線性器件

37、的伏安特性19 七月 202216非線性失真與干擾161非線性器件的特性描述 第一種是用解析函數(shù)來描述器件的伏安特性: 3、場(chǎng)效應(yīng)晶體管： 圖161 非線性器件的伏安特性19 七月 202216 非線性失真與干擾161非線性器件的特性描述 第一種是用解析函數(shù)來描述器件的伏安特性: 4、雙極型晶體管差分放大器： 圖161 非線性器件的伏安特性19 七月 202216非線性失真與干擾161非線性器件的特性描述 第二種方法是用冪級(jí)數(shù)展開式來描述器件的伏安特性。 式中 an (n= 0，1，2，3正整數(shù)) 。為與電路工作點(diǎn)有關(guān)的系數(shù)，通常n越大，則系數(shù)an的值越小。當(dāng)電路中非線性器件用冪級(jí)數(shù)表示時(shí)，所

38、取的級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)就完全取決于信號(hào)幅度的大小和所要求的精度。19 七月 202216非線性失真與干擾161非線性器件的特性描述 第三種方法是在輸入信號(hào)幅度很大時(shí),常用分段折線來描述器件特性。 例如二極管在大信號(hào)工作時(shí)，因?yàn)樾盘?hào)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通電壓，所以二極管的伏安特性可以用通過原點(diǎn)的斜直線表示。 圖162 大信號(hào)時(shí)二極管的開關(guān)特性19 七月 202216非線性失真與干擾161非線性器件的特性描述 第三種方法是在輸入信號(hào)幅度很大時(shí),常用分段折線來描述器件特性。 在大信號(hào)余弦電壓激勵(lì)時(shí)，可以用開關(guān)函數(shù)來表示輸出電流，即 為奇函數(shù),只存在奇次項(xiàng).這在頻率變換(混頻、振幅調(diào)制與振幅解調(diào))中可以大大減

39、少諧波和組合頻率.圖162 大信號(hào)時(shí)二極管的開關(guān)特性19 七月 202216 非線性失真與干擾161非線性器件的特性描述 第三種方法是在輸入信號(hào)幅度很大時(shí),常用分段折線來描述器件特性。 對(duì)于晶體管差分放大器的伏安特性，它是雙曲正切函數(shù)，在大信號(hào)工作時(shí)，也可以用三段折線逼近， 差分放大器的輸出電流為: 圖161 非線性器件的伏安特性圖163 差分放大器雙曲函數(shù)的逼近19 七月 202216 非線性失真與干擾161非線性器件的特性描述 第三種方法是在輸入信號(hào)幅度很大時(shí),常用分段折線來描述器件特性。 差分放大器的輸出電流為: 是一個(gè)電子開關(guān)，其開關(guān)函數(shù)可以用 表示. 在大信號(hào)余弦電壓激勵(lì)時(shí)，差分放大

40、器的輸出電流又可以用開關(guān)函數(shù)表示: 圖164 雙向開關(guān)函數(shù)19 七月 202216非線性失真與干擾162非線性特性的影響 器件非線性特性對(duì)放大器的影響，可以分兩種情況加以討論。1、輸入端僅有一個(gè)信號(hào)設(shè)輸入端的信號(hào)電壓為 此時(shí)放大器的輸出電流:19 七月 202216非線性失真與干擾162非線性特性的影響 1、輸入端僅有一個(gè)信號(hào) 放大器的輸出電流: 1、單一頻率信號(hào)輸入時(shí),通過非線性器件,輸出電流中既有原輸入頻率的基波分量,又有直流分量和大量的高次諧波分量. 2、基波分量是由各奇次方項(xiàng)產(chǎn)生的,二次(包括四次以上的偶次)諧波是由偶次方項(xiàng)產(chǎn)生的,三次(包括五次以上的奇次)諧波則是由奇次方項(xiàng)產(chǎn)生的.

41、3、諧波次數(shù)越高(即n越大),則an值越小,甚至還會(huì)是負(fù)值.當(dāng)輸入信號(hào)幅度 較小時(shí), 則an 也更小,所以輸出的高次諧波一般是可以忽略的。分析：19 七月 202216 非線性失真與干擾162非線性特性的影響 1、輸入端僅有一個(gè)信號(hào) 放大器的輸出電流: 當(dāng)輸入信號(hào)幅度大，必須考慮到三次方項(xiàng)的作用時(shí)（三次方項(xiàng)以上可以忽略），則由上式得基波電流信號(hào)為基波振幅19 七月 202216非線性失真與干擾162非線性特性的影響 1、輸入端僅有一個(gè)信號(hào) 基波振幅： 通常，a30 在雙極型三極管放大器中，當(dāng)輸入信號(hào)增大到出現(xiàn)飽和時(shí)，a3變?yōu)樨?fù)值；晶體管差分放大器輸出電流展開式中， U1m隨輸入信號(hào)幅度Uim的

42、增大將減小（因?yàn)閍30），這一現(xiàn)象稱增益壓縮。19 七月 202216非線性失真與干擾162非線性特性的影響 1、輸入端僅有一個(gè)信號(hào) 工程中常用“1dB壓縮點(diǎn)”來度量器件的線性性能。 1dB壓縮點(diǎn)為使增益比線性增益下降1dB所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)幅度Uim（或輸入功率Pi(dBm)）。 (a) (b) 基波振幅： 圖165 放大器的1dB壓縮點(diǎn)19 七月 202216非線性失真與干擾162非線性特性的影響 1、輸入端僅有一個(gè)信號(hào)(a) (b) Uim1dB僅與電路的a1、a3有關(guān),即非線性度有關(guān)。 工程中1dB壓縮點(diǎn)不僅用來度量放大器的線性程度,還常用來表征混頻器的線性程度.圖165 放大器的1dB

43、壓縮點(diǎn)19 七月 202216 非線性失真與干擾162非線性特性的影響 2、輸入端有兩個(gè)信號(hào)（包括干擾信號(hào)在內(nèi)） 在放大器輸入端除有用信號(hào)以外，還有一個(gè)或兩個(gè)以上的干擾信號(hào)時(shí)，由于器件的非線性作用會(huì)使輸出端產(chǎn)生除有用信號(hào)以外的大量組合干擾頻率分量。 假設(shè)輸入端用一個(gè)有用信號(hào)1和一個(gè)干擾信號(hào)2，即 忽略三次方項(xiàng)以上的高次方項(xiàng)，可得基波電流信號(hào): 19 七月 202216 非線性失真與干擾162非線性特性的影響2、輸入端有兩個(gè)信號(hào) （包括干擾信號(hào)在內(nèi)） 19 七月 202216非線性失真與干擾162非線性特性的影響 2、輸入端有兩個(gè)信號(hào) （包括干擾信號(hào)在內(nèi)） 1和2的基波分量由一次方和三次方項(xiàng)產(chǎn)生

44、 12分量由二次方項(xiàng)產(chǎn)生組合頻率由三次方項(xiàng)產(chǎn)生19 七月 2022 16 非線性失真與干擾 162 非線性特性的影響2、輸入端有兩個(gè)信號(hào) （包括干擾信號(hào)在內(nèi)） 如果輸入1為弱信號(hào),而干擾2為強(qiáng)信號(hào),即U1mU2m.忽略 則得輸出有用信號(hào)的基波電流為： 上式表明,輸出基波電流振幅與干擾信號(hào)振幅 和a3的乘積有關(guān)。 a3是小于零的負(fù)值，隨著干擾信號(hào)幅度的增加，有可能使輸出電流變小，甚至趨于零，這就是接收機(jī)中的阻塞現(xiàn)象。工程中，設(shè)計(jì)接收機(jī)電路時(shí)，抗強(qiáng)信號(hào)阻塞是一個(gè)很重要的指標(biāo)，通常要求抗強(qiáng)信號(hào)比為6070dB。19 七月 202216非線性失真與干擾162非線性特性的影響 2、輸入端有兩個(gè)信號(hào) （包

45、括干擾信號(hào)在內(nèi)）若干擾信號(hào)是一個(gè)振幅調(diào)制信號(hào)，即干擾信號(hào)幅度受調(diào)制信息信號(hào)調(diào)制后的幅度包絡(luò)函數(shù) 其幅度為: 輸出基波電流的振幅中由于三次方項(xiàng)的非線性作用，已包含了干擾信號(hào)的調(diào)幅信息。如果有用信號(hào)也是調(diào)幅信號(hào)，那么通過解調(diào)后會(huì)聽到干擾臺(tái)的串音，這就是交叉調(diào)制失真。19 七月 202216 非線性失真與干擾162非線性特性的影響 2、輸入端有兩個(gè)信號(hào) （包括干擾信號(hào)在內(nèi)） 組合頻率中的差頻(21-2)和(22-1)也是由三次方項(xiàng)產(chǎn)生， 若1和2均為干擾信號(hào),則這兩個(gè)干擾信號(hào)的頻率組合(21-2)或(22-1)有可能會(huì)接近或等于所要接收的頻率值R,即或 或 該組合頻率分量就會(huì)進(jìn)入接收機(jī)中頻通道形成干

46、擾。這種干擾是由這兩個(gè)干擾信號(hào)的相互調(diào)制引起的，所以稱為互調(diào)干擾（或互調(diào)失真）。同時(shí)，它是由三次方項(xiàng)產(chǎn)生的互調(diào)，所以工程中稱三階互調(diào)干擾，簡(jiǎn)稱三階互調(diào)。三階互調(diào)是衡量接收機(jī)及其電路性能的重要指標(biāo)。19 七月 202216 非線性失真與干擾162非線性特性的影響 2、輸入端有兩個(gè)信號(hào) （包括干擾信號(hào)在內(nèi)） 三階互調(diào)干擾是通信機(jī)的重要指標(biāo)，工程中常用互調(diào)失真比IMR和三階互調(diào)阻斷點(diǎn)IP3來度量。 IMR在某一輸入幅度下三階互調(diào)分量幅度和基波幅度之比值. 基波幅度為a1U1m(忽略三次方項(xiàng)以上產(chǎn)生項(xiàng)),三階互調(diào)幅度為 或 若令U1m =U2m =Um，則IMR為 輸入信號(hào)幅度越大，則IMR也就越大，

47、即三階互調(diào)干擾就越嚴(yán)重。實(shí)踐中為減少三階互調(diào)干擾，盡量減小輸入信號(hào)的幅度。因此，低噪聲放大器一般設(shè)計(jì)成低增益放大器。19 七月 202216非線性失真與干擾162非線性特性的影響 2、輸入端有兩個(gè)信號(hào) （包括干擾信號(hào)在內(nèi)） IP3的輸入幅度UimIP3也可以通過計(jì)算來確定。根據(jù)IP3的定義：當(dāng)三階互調(diào)分量增長(zhǎng)到和基波分量相等時(shí)，接收機(jī)就無(wú)法正常接收，因此有表明: 出現(xiàn)IP3的輸入信號(hào)幅度UimIP3僅與a1和a3有關(guān)，即僅與電路的非線性有關(guān)。而且，當(dāng)線性度越差，即a3越大時(shí)，出現(xiàn)IP3的幅度UimIP3也就越小，即表明器件線性越差。 19 七月 202216 非線性失真與干擾162非線性特性的

48、影響 2、輸入端有兩個(gè)信號(hào) （包括干擾信號(hào)在內(nèi)） 三階互調(diào)和增益1dB壓縮都由器件非線性三次方項(xiàng)產(chǎn)生的，因此可以比較一下它們的輸入幅度比 1dB壓縮點(diǎn)的輸入幅度要比三階互調(diào)阻斷點(diǎn)的輸入幅度低9.6dB（即0.33倍）。因此，Uim1dB表征了器件能線性工作的最大輸入電壓幅度，即器件的線性動(dòng)態(tài)范圍。19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器171預(yù)選選頻濾波器 通信系統(tǒng)中接收設(shè)備的首要任務(wù)是把所需的有用信號(hào)從眾多無(wú)用信號(hào)和噪聲、非線性失真等干擾中選取出來,加以放大;抑制和濾除這些無(wú)用信號(hào)和噪聲干擾。通信中這一功能通常由一個(gè)重要部件“選頻濾波器”來實(shí)現(xiàn)。 選頻濾波器按實(shí)現(xiàn)功能分:預(yù)選濾波器中頻通道濾

49、波器第二類是各種集中濾波器。有LC集中濾波器、機(jī)械濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器、聲表面波(SAW)濾波器按濾波器的組成結(jié)構(gòu)分： 第一類是由儲(chǔ)能元件電感和電容組成的LC諧振回路濾波器。19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器171預(yù)選選頻濾波器 為了濾除和抑制從天線進(jìn)入的各種干擾和噪聲，天線輸出端必須緊接著設(shè)置一個(gè)預(yù)選濾波器。傳統(tǒng)的預(yù)選濾波器是一個(gè)LC并聯(lián)諧振回路，該回路還必須和本振同路實(shí)現(xiàn)統(tǒng)調(diào).圖171 傳統(tǒng)的LC預(yù)選回路19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器171預(yù)選選頻濾波器 由于單個(gè)LC回路不可能覆蓋全波段，于是就采用分波段切換回路電感L來實(shí)現(xiàn)全波段的預(yù)選濾波網(wǎng)絡(luò).圖172 分波段預(yù)

50、選濾波器和本振統(tǒng)調(diào)方法19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器171預(yù)選選頻濾波器 目前的全波段接收機(jī)采用了可轉(zhuǎn)換的分波段帶通濾波器(集中濾波器)。這個(gè)轉(zhuǎn)換電路通常用開關(guān)二極管(1N458)或小型繼電器來完成。預(yù)選帶通濾波器通常為半倍頻帶寬的chebyshev帶通濾波器，chebyshev帶通濾波器具有陡峭的帶外衰減特性，因此能有效地濾除和抑制掉由天線進(jìn)入的帶外于擾和噪聲。 圖173所示為采用半倍頻程濾波器的典型全波段預(yù)選濾波器網(wǎng)絡(luò)框圖，它把230MHz短波全波段分成8個(gè)分波段，用數(shù)字邏輯電平信令切換分波段，圖中是指令加至3*控制線(46MHz)，使射頻信號(hào)流通的情形。19 七月 202217

51、信號(hào)的選頻濾波器171預(yù)選選頻濾波器圖173 使用半倍頻程濾波器的典型預(yù)選器裝置方框圖。圖示出指令加至3* 控制線(46MHz)使信號(hào)流通的情形19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器172LC諧振回路和LC集中選頻濾波器LC諧振回路濾波器往往接在天線輸出端和中放電路的輸出端.為方便信號(hào)傳送到下一級(jí),其L常用耦合變壓器的初級(jí)電感承擔(dān)。圖174 MC1490構(gòu)成的兩級(jí)IFA19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器172LC諧振回路和LC集中選頻濾波器圖175 LC諧振回路濾波器 圖174中的LC諧振回路濾波器可以用如圖175(a)所示的簡(jiǎn)化電路表示，圖中is、Rs表示MC1490的輸出電流和輸出

52、電阻，RL為下級(jí)輸入電阻。 假設(shè)變壓器Tr的變比為n:1,則負(fù)載RL折算到初級(jí)的電阻RL=n2RL,得如圖175(b)所示電路。 將RL和Rs并聯(lián)得等效電阻RpRS/RL，得圖175(c)所示。19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器172LC諧振回路和LC集中選頻濾波器圖175 LC諧振回路濾波器圖185(c)為典型的LC并聯(lián)諧振回路,其并聯(lián)阻抗Z(j)可表示為:回路固有諧振角頻率: 回路有載品質(zhì)因素 回路阻尼系數(shù) 回路特性阻抗 19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器172LC諧振回路和LC集中選頻濾波器圖175 LC諧振回路濾波器由圖中可得輸出電壓為：諧振時(shí)的回路端電壓 19 七月 20

53、2217信號(hào)的選頻濾波器172LC諧振回路和LC集中選頻濾波器幅頻特性:相頻特性:回路的帶寬B: LC回路的選頻特性與帶寬是矛盾的 圖176 LC諧振回路特性曲線19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器172LC諧振回路和LC集中選頻濾波器圖177 集中選擇性濾波器 為克服單個(gè)LC回路選頻存在的矛盾，可以將多個(gè)LC并聯(lián)回路連接起來，構(gòu)成LC集中選擇性濾波器，如圖187所示。圖中采用了六個(gè)LC并聯(lián)回路通過C0耦合連接合成，LC數(shù)值的計(jì)算，通常在已知通帶寬度和通帶中心頻率的情況下,先給定L值再計(jì)算電容： 這種LC集中選擇性濾波器的傳輸系數(shù)約為0.10.3,即-20dB -10.5dB。通帶帶寬可以

54、做得足夠?qū)?帶外衰減特性,即選頻特性,則遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單個(gè)LC回路。19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器173帶通選頻濾波器由上述討論可知: 1、LC儲(chǔ)能元件組成的諧振回路濾波器的通帶寬度和選擇性是矛盾的。 2、通帶寬度和選擇性與回路品質(zhì)因素QP值有關(guān)。QP增加，選擇性變好，帶寬變窄；QP減小，帶寬加寬，選擇性變差。 3、由多個(gè)LC并聯(lián)回路組成的LC集中選擇性濾波器能較好地改善這一矛盾，但其通帶性能還是不能滿足通信機(jī)的要求，特別是滿足不了單邊帶（SSB）接收機(jī)的通帶帶外衰減特性的要求。 電子設(shè)計(jì)師們利用機(jī)電轉(zhuǎn)換原理和壓電效應(yīng)特性，采用新型的電子材料設(shè)計(jì)出高Q高性能的帶通選頻濾波器：機(jī)械濾波器、晶

55、體濾波器、陶瓷濾波器、SAW濾波器等。19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器173帶通選頻濾波器 1、機(jī)械濾波器圖178 機(jī)械濾波器的結(jié)構(gòu)圖機(jī)械濾波器的原理： 將中頻電信號(hào)通過電機(jī)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成同頻率的機(jī)械振動(dòng),機(jī)械振動(dòng)通過一節(jié)節(jié)機(jī)械諧振圓柱體傳送到輸出端,再由輸出機(jī)電轉(zhuǎn)換器將此機(jī)械振動(dòng)還原成純的中頻電信號(hào)。濾波作用: 利用機(jī)械圓柱體對(duì)中頻頻率的機(jī)械共振現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)的。濾波器的中心頻率和頻響性能就完全取決于機(jī)械諧振圓柱體的尺寸和節(jié)數(shù)。19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器173帶通選頻濾波器1、機(jī)械濾波器圖178 機(jī)械濾波器的結(jié)構(gòu)圖圖179 機(jī)械濾波器電性能等效電路 圖178中的5是長(zhǎng)度為/4

56、的機(jī)械諧振圓柱體(為諧振頻率的波長(zhǎng)),故可等效為一個(gè)LpCp串聯(lián)諧振回路。4是一個(gè)直徑較細(xì)和長(zhǎng)度較短(/8)的圓柱體耦合子,它可等效為一個(gè)電容C0,這樣5和4就組成了一節(jié)濾波電路.19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器173帶通選頻濾波器 1、機(jī)械濾波器圖178 機(jī)械濾波器的結(jié)構(gòu)圖 電機(jī)轉(zhuǎn)換器由圖178的永久磁鐵1、線圈2、磁致伸縮諧振子棒3等部分組成。 當(dāng)線圈2中流過交變中頻電流時(shí)，磁致伸縮棒3便隨交變磁場(chǎng)大小伸縮振動(dòng)起來，從而將電振蕩轉(zhuǎn)換成了機(jī)械振動(dòng)。 圖中永久磁鐵1是給磁致伸縮棒提供一個(gè)偏磁，用以避免電機(jī)轉(zhuǎn)換失真。圖中右端的線圈和磁致伸縮棒6為機(jī)電轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換過程與上述相反。即磁致伸縮

57、棒6受左端圓柱體耦合子傳遞來的機(jī)械振動(dòng)而振動(dòng)，使輸出線圈中的磁場(chǎng)因振動(dòng)而隨之改變，感應(yīng)出與之相應(yīng)的交變電流，從而得到濾波后所需的中頻信號(hào)。19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器173帶通選頻濾波器 1、機(jī)械濾波器 實(shí)踐中機(jī)械濾波器的性能可以做到:插入損耗(即傳輸系數(shù))小于3dB,帶內(nèi)波動(dòng)(即紋波)小于0.1dB,波形因數(shù)SF=1.25,中心頻率fo可做到 100kHZ,200 kHz,455kHz,500kHz等,帶寬B可做到0.2kHz,3kHz,6kHz,10kHz和14kHz等.這些優(yōu)良指標(biāo)LC濾波器是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。圖1710 455kHz LC濾波器與機(jī)械濾波器 圖中實(shí)線是機(jī)械濾波器幅

58、頻特性,虛線為L(zhǎng)C集中選擇性濾波器的幅頻特性.19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器173帶通選頻濾波器 機(jī)械濾波器接入中放電路，如圖1712中所示。圖中C1、C2用以抵消機(jī)械濾波器的輸入輸出線圈電感。 圖1712 455kHz機(jī)械濾波器的電路連接19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器173帶通選頻濾波器2、石英晶體濾波器晶體濾波器有常規(guī)晶體濾波器和單片晶體濾波器(MCF)兩種。石英晶體片具有兩種壓電效應(yīng)：1、當(dāng)對(duì)晶體沿某一特定方向施加拉伸機(jī)械力時(shí),它會(huì)在其表面產(chǎn)生正負(fù)交變電荷(即交變電壓),稱之正向壓電效應(yīng)；2、當(dāng)在晶體兩端加上交變電壓時(shí),它又會(huì)產(chǎn)生伸縮的機(jī)械振動(dòng),稱之反向壓電效應(yīng)。石英

59、晶體是具有彈性的固體，對(duì)某一種振動(dòng)方式具有一個(gè)固定的機(jī)械振動(dòng)頻率fs。當(dāng)外加交變信號(hào)頻率在fs附近時(shí)，晶體就會(huì)在fs頻率點(diǎn)上產(chǎn)生共振。共振現(xiàn)象對(duì)石英晶體片表現(xiàn)為機(jī)械共振，而在外電路又表現(xiàn)出電諧振。這時(shí)機(jī)械振動(dòng)振幅最大，外電路中電流也達(dá)最大，且電流與交變電壓同相位，晶片反映為串聯(lián)諧振現(xiàn)象。19 七月 202217 信號(hào)的選頻濾波器173帶通選頻濾波器 將單片晶片的兩面銀焊出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了單個(gè)單極晶體片。單個(gè)晶體片可等效為一個(gè)高Q串聯(lián)諧振回路，其基頻等效電路如圖1713 (a)所示。圖1713 單片晶體等效電路及頻響 2、石英晶體濾波器19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器173帶通選頻濾波

60、器 目前石英晶體的基頻可以做到60MHz-250MHz，晶體的Q值可達(dá)50000以上。如圖1714 (b)中所示。圖中 fs為L(zhǎng)q、Cq的串聯(lián)諧振頻率，即零點(diǎn)頻率。fp為L(zhǎng)q、Cq、C0并聯(lián)諧振頻率，即極點(diǎn)頻率。fs和fp分別可表示為2、石英晶體濾波器圖1713 單片晶體等效電路及頻響 19 七月 202217信號(hào)的選頻濾波器173帶通選頻濾波器由圖1713 (b)所示的單個(gè)單極點(diǎn)晶體頻響特性得： 單個(gè)單極點(diǎn)晶體的帶寬很窄，極點(diǎn)帶寬約幾百赫茲左右，帶外衰減也較差，通帶中心頻率在極點(diǎn)頻率fs上。 這高Q單極點(diǎn)串聯(lián)諧振晶體濾波器不能滿足通道濾波器要求。 為擴(kuò)展帶寬、提高帶外衰減，可采用 具有很小頻