電子科技大學通信射頻電路 通信系統(tǒng)噪聲和非線性特性 19-24

第七章無線通信系統(tǒng)噪聲和非線性特性

本章內容通信系統(tǒng)信息容量;通信系統(tǒng)噪聲特性、效應及分析方法;通信系統(tǒng)非線性特性及效應;無線接收機靈敏度、動態(tài)范圍及計算方法。

重點掌握無線通信系統(tǒng)噪聲的產(chǎn)生機理及效應、非線性現(xiàn)象與效應;噪聲系數(shù)、P1dB、IIP3等參數(shù)的分析和計算方法;無線接收機靈敏度、動態(tài)范圍的分析方法。1&7.1通信系統(tǒng)的信息容量

在一個給定的時間內，通過一個通信系統(tǒng)可以傳送多少信息的一種度量。I：傳輸信息總量;B：信道帶寬;t:傳送時間;K:修正比例系數(shù)，取決于調制方式。通信信息容量

根據(jù)哈特萊定律：通信帶寬愈寬，傳輸時間愈長，能夠通過該系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒘烤陀?。?shù)學表達式為:I=K*B*t∝B*t2要傳送更多的信息，可以通過增加帶寬，或通過加長傳送時間來完成。對于有時間限制的實時通信系統(tǒng)，欲傳輸更多的信息量,要求通信系統(tǒng)增大帶寬,或提高K值(信息信號復雜的,帶寬有效的信號調制方式-MSK、QPSK、QAM)。1948年問世的香農（C.E.Shannon）信息論給出了一個通信系統(tǒng)單位時間信息容量的極限值:I=B*log2(1+S/N)或

I=3.32*B*log10(1+S/N)I為信息容量(b/s),B為通信系統(tǒng)信號帶寬(Hz),S/N為信噪(功率)比。信息容量極限3

香農公式給出的是信息系統(tǒng)信息容量極限值，并不是任意情況一個系統(tǒng)的信息傳輸容量都能達到該極限,至少應是使用輸出狀態(tài)（符號數(shù)）大于2的數(shù)字系統(tǒng)。

確定了一個通信系統(tǒng)在確定的信噪比條件下傳送給定信息容量需要的信道帶寬。

確定了一個通信系統(tǒng)在確定帶寬條件下傳送給定信息容量需要的信號信噪比。4

通信系統(tǒng)的通信信息容量與信道帶寬、信噪比的大小密切相關!通信帶寬

通信系統(tǒng)實際允許傳輸?shù)男盘柕淖罡哳l率(fmax)與最低頻率(fmin)之差。

B=fmax-fmin

實際通信系統(tǒng)通信帶寬B主要取決于信道中放帶寬。語音電話信號帶寬:3KHz(2.7KHz)高保真音樂信號帶寬:200KHz電視信號帶寬:6MHz(4.5MHz)WCDMA信號帶寬:3.84MHz。4G通信信號帶寬：5、10、15、20MHz5

信噪比

信號噪聲功率比(信噪比)是衡量通信信號質量好壞的重要指標之一！

SNR(S/N)=Ps/Pn

Ps——信號功率（W）

Pn——噪聲功率（W）

Pn是指落入通信通帶范圍內噪聲的總功率。SNR=10log10(Ps/Pn)(dB)

理論分析中信號功率容易確定，噪聲是隨機的，不確定的，噪聲功率不易計算，常用噪聲功率譜積分得到，可通過測量得到。工程上信噪比常以分貝(dB)為單位表示。6&7.2通信系統(tǒng)/電路噪聲特性系統(tǒng)/電路噪聲的來源

1.電阻內電子的熱運動;有源器件(晶

體管)中電荷粒子的隨機運動

2.外部噪聲和干擾信號電路的噪聲種類

1.熱噪聲(Johnson/Nyquist）,由束縛電荷的熱振動產(chǎn)生的．通信信道中噪聲種類

1.內部(電路固有)的噪聲

2.外部噪聲72.散粒噪聲（電子管和固態(tài)有源器件），由載流子的隨機漲落引起的。電路噪聲的效應

1.降低信號的信噪比;

2.降低接收機的靈敏度;

3.增大誤碼率;

4.提高解調器的最低門限噪聲信號的特征參量

噪聲信號功率譜密度(SI/V(f)),單位頻帶內的電壓(或電流)均方值（dBm/Hz）。

根據(jù)噪聲信號功率譜特性,噪聲信號分為白噪聲和有色噪聲、窄帶和寬帶噪聲。

3.閃爍噪聲（電子管和固態(tài)有源器件）,又稱1／f噪聲。8噪聲功率在Rayleigh－Jeans近似下：

Ｒ電阻兩端產(chǎn)生的隨機電壓的均方根值由普朗克黑體輻射定律給出：在帶寬Ｂ內，由Ｒ電阻傳輸?shù)狡ヅ湄撦d的噪聲功率電阻R熱噪聲源的資用噪聲功率！9兩端口網(wǎng)絡的等效輸入噪聲源10電阻的熱噪聲的功率譜密度特性散粒噪聲的功率譜密度特性閃爍噪聲的功率譜密度特性等效噪聲溫度

任何一個線性網(wǎng)絡產(chǎn)生的噪聲為白噪聲時，則可用網(wǎng)絡輸入端溫度為Te的電阻所產(chǎn)生的熱噪聲來代替，該網(wǎng)絡可視為無噪的。

任何一個噪聲源為白噪聲時，其傳輸?shù)狡ヅ湄撦dＲ的噪聲功率為Ｐn時，該噪聲源可用在溫度Te值為Ｒ的有噪電阻代替，Te稱為等效噪聲溫度。有噪網(wǎng)絡RsTe=0GpPn0RL無噪網(wǎng)絡RsTeGpＰn0RL11噪聲溫度的測量

原理上說，元件的等效噪聲溫度可通過在該元件的輸入端連接一個處在0K溫度下的匹配負載，然后測量輸出功率來確定。實際上0K的源溫度是不可能達到的，必須采用與此不同的測量方法。噪聲溫度的Y因子測量法12

T1是熱負載的溫度，T2是冷負載的溫度（T1>T2），P1和P2是分別在放大器輸出測到的功率。輸出功率包括由放大器產(chǎn)生的噪聲功率以及來自源電阻的噪聲功率。Y因子定義：通過功率測量，就可用負載溫度和Y因子求解出等效噪聲溫度：13

電路或系統(tǒng)的噪聲性能可用噪聲系數(shù)表征!噪聲系數(shù)F(噪聲因子)=輸入信噪比/輸出信噪比GpPn0PSiPniPso=GpPsiPno=GpPni+Pn0NF=10log(F)（dB）輸入信噪比輸出信噪比噪聲因子噪聲系數(shù)(噪聲因子的dB表示)：14

電路或系統(tǒng)的噪聲系數(shù)與電路自身的噪聲大小有關,還與輸入信號的噪聲大小及電路增益相關。

任何實際電子系統(tǒng)總是有噪聲的，所以F一定大于1。理想無噪聲電路的噪聲因子F=1或噪聲系數(shù)NF=0dB例：如圖示二端口網(wǎng)絡

，試求其噪聲系數(shù)。ViRoRs15解：該電路電壓增益輸入信號功率輸出信號功率輸入噪聲功率輸出噪聲功率噪聲系數(shù)ViRoRs16端口匹配的無源有耗路（網(wǎng)絡）的噪聲系數(shù)等于其插入損耗！無源有耗電路（網(wǎng)絡）的噪聲系數(shù)

在電路輸入和輸出端口都匹配的條件下:輸出信號功率輸入噪聲功率輸出噪聲功率輸入信號功率噪聲系數(shù)17Gp,B,TeRsT0PnoRLPni輸入噪聲功率輸出噪聲功率有噪電路的噪聲系數(shù)計算

等效噪聲溫度應用在低噪聲接收系統(tǒng)（衛(wèi)星通信）,其噪聲系數(shù)小,F趨于1，使用等效噪聲溫度其分辨率較高。18

多網(wǎng)絡級連電路噪聲系數(shù)Gp1BTe1RsT0Pno2RLPniGp2BTe2Pno1第一級電路的輸出噪聲功率第二級電路的輸出噪聲功率19級聯(lián)等效噪聲溫度多級級連電路的等效噪聲溫度多級級連電路的噪聲系數(shù)20

級連電路前幾級噪聲系數(shù)對系統(tǒng)總噪聲系數(shù)貢獻大,前級增益越大，后級噪聲貢獻越小!低噪高放提高接收機靈敏度的理論依據(jù)。解：例１：兩級級連電路，F(xiàn)1=2dB,Gp1=12dB,NF2=6dB,Gp2=10dB,求總的噪聲系數(shù)NF。Gp1NF1Gp2NF221例２：無線接收機的噪聲分析

對于圖中顯示的無線接收機前端的框圖，計算該子系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)。假設從饋送天線來的輸入噪聲功率是Pni=kTAB，其中TA=150K；求輸出噪聲功率(dBm)。假設要求接收機輸出處的最小信噪比為20dB，問能加到接收機輸入處的最小信號電壓應為多少？設定系統(tǒng)是在溫度T0下，其特征阻抗為50歐，中頻帶寬為10MHz。22解：首先執(zhí)行從dB表示至數(shù)值的轉換：Ga=10dB=10,Gf=-1.0dB=0.79,Gm=-3.0dB=0.5Fa=2dB=1.58,Ff=1dB=1.26,Fm=4dB=2.51系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)：

計算出噪聲功率的最佳途徑是使用噪聲溫度!總系統(tǒng)的等效噪聲溫度是:系統(tǒng)的總增益:G=10x0.79x0.5=3.9523

20dB輸出信噪比(SRN)要求輸入信號功率必須為：

對于50歐的系統(tǒng)特征阻抗，對應于輸入信號電壓為：輸出噪聲功率為:24

注意，若從噪聲系數(shù)的定義來計算輸出噪聲功率,得到:

該結果是不正確的！因為在噪聲系數(shù)的定義中已假設輸入噪聲功率電平為kT0B，這與前面的結果是不同的。在這個例題中輸入噪聲功率為kTAB，顯然TA=150K≠T0。這是一種解題的通病。因此，建議在計算絕對噪聲功率時，為了避免混亂，使用噪聲溫度這種更為安全的方法。25

有源/無源器件的非線性特性&7.3通信系統(tǒng)非線性及效應vbeicicvbeiDiDvGSVGSoffIDss有源器件的非線性特性26i2+Vi+Vo-Vcci1i=i1-i2vi0無源器件的非線性特性電阻的I-V特性電容的C-V特性電感的-I特性271.線性輸入輸出關系電路/器件的輸入與輸出關系表征線性電路/器件的特性2.非線性輸入輸出關系表征非線性電路/器件的特性

電路非線性產(chǎn)生的效應28整流(Rectifying)諧波(Harmonics)增益壓縮(GainCompressing)堵塞(Blocking)和交叉調制(Cross-Modulation)交調(Intermodulation)AM-PM整流效應29

諧波效應

對于一單頻率信號輸入，電路的非線性輸入輸出關系導致輸出中將含有輸入頻率的各諧波成分和DC分量。NonlinearNetworky(t)=Y(x(t))ff2f3f4f30增益壓縮效應增益:

由于高次項的存在，信號增益隨著輸入信號的增大而壓縮。工程上常用1dB壓縮點來描述器件增益壓縮特性。31堵塞與交叉調制效應32基波分量:若電路增益:

當電路同時接受到兩個大小不同的信號,強信號(干擾信號)大于弱信號(有用信號時)，強信號壓制弱信號,

使得弱信號的增益變小,從而有用信號得不到足夠的放大，電路無法正確接收，此種現(xiàn)象稱為堵塞。33若強信號壓制弱信號,并產(chǎn)生交叉調制!有用信號輸出:

抗強信號堵塞是無線通信接收機的一個重要指標。通常要求鄰道干擾抑制能力要大于60-70dB。

兩個調幅信號同時輸入進非線性電路x(t)=x1(t)+x2(t))，若有用信號x2(t)遠小于干擾信號x1(t)時，干擾信號的幅度信息將會調制到有用信號之上，從而出現(xiàn)“串音”現(xiàn)象-交叉調制。交叉調制主要是由器件非線性的三次方項產(chǎn)生的。34

交調(Intermodulation)

電路非線性導致輸出中不僅含有輸入頻率的各諧波成分和DC分量,還含有(nf1+/-mf2)頻率分量-交調分量!35交調成分(分量)三階交調分量五階交調分量七階交調分量N階交調分量DesiredSignalChannelDesiredSignalChannel

濾波器是無法判斷那些頻率分量是有用信號的，因此進入濾波器通帶的所有頻率分量都會通過,交調分量成為干擾/噪聲信號。

交調干擾是指器件非線性產(chǎn)生的組合頻率分量進入通頻帶而引起的干擾。36

電路非線性項中高次方項通常次方越大其值越小，故工程上一般僅考慮到3-5階交調情況。衡量非線性電路交調失真度的指標

其與輸出信號幅度相關，