天线噪声系数

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N
( )
f
4 Rhf = hf / kT (V e −1
2
/ Hz)
其中
T为物体的绝对温度; h为普朗克常数,6.6254×10-34(J.s) k 为玻尔茨曼常数,1.38054×10-23(J/K)
4
4.8.1
匹配
输出噪声功率谱密度
输出噪声功率谱密:
N (f ) H (f ) P an = R
22
基本的数字基带信号波形(3)
多电平码波形 k个二进制符号bi 例. k =3, M=8
b1b2b3 000 001 010 011 100 101 110 111 an +7 +5 +3 +1 -1 -3 -5 -7
M = 2k
bi an
75310 -1 -3 -5 -7 -
一个M进制符号an
设内部产生噪声功率为 Pn = k T e B G Pn Te = kB G 其中:G为网络增益。 无源网络可以通过计算各电阻在工作温度下 产生的噪声,然后根据电路等效得到输出的 噪声功率, 但是对于有源网络的噪声分析就复杂多了。
10
4.8.3 噪声系数F与等效噪温Te的关系
表示了网络内部噪声的情况 T e F = 1 + T 0 级联网络的等效噪温
2
f (n) =
2πσ
2
e
2
2
4.8 .1热噪声(2)
电子热运动造成 分析和实验表明 阻值为R的电阻两端所呈现的热噪声电压呈高 斯分布,其均值为0,方差为 2 (π k T )2 , R 其单边功率谱密度为 3h
R
N
(
4 Rhf 2 f ) = hf / kT (V / H z ) e −1
3
4.8.1 热噪声功率谱密度
8
4.8.3 网络的等效等效噪声温度 Te
信号经过网络时,除了输入端的噪声经过网 络,另外网络本身也产生热噪声,因此输出端 的热噪声变多了。 将网络内部产生的噪声在输入端等效成一个具 有一定温度的热噪声通过无噪的网络,该等效 温度即为等效噪声温度。 等效噪声温度表示了一个网络的内部噪声情 况。
9
4.8.3网络的等效等效噪声温度 Te(2)
1 1 1 0 1 0 0 1 1
-7
+3
+1
23
数字基带系统的构成
{bn }
码型 编码
{a n } d (t)
发滤 波器
s(t)
信道
x (t)
收滤 波器
r (t)
抽样 判决
{a }
' n
GT ( ω )
gT ( t )
n(t )
cp ( t )
码型 译码
{b }
' n
位同 步器

s(t) =
n = −∞
∴ s ( t ) ∼ 循环平稳
26
基带信号的频谱特性(2)
循环平稳过程 s(t) 的功率谱密度
1 Rs (τ ) = Ts

Ts 2 − Ts
1 = R ( t , t + τ ) dt 2 s Ts
∞ −∞
m = −∞


Ra ( m ) Rg (τ − mTs )
其中:Rg (τ ) = ∫ gT ( t ) gT ( t − τ ) dt
(注:当匹配电阻不在常温下时,不能使用噪声系 数,而应该使用等效噪温)
So GSi GSi Si 1 Si 1 = = = = N o GN i + Pn GkTi B + GkTe B N i 1 + Te N i F Ti
6
4.8.2 噪声系数 (2)
F 反映网络产生的噪声,将它折合到输入端 后,相当于总输入噪声增大到F 倍,成为
= =
n = −∞ m = −∞ ∞ ∞ n = −∞ m = −∞
∑ ∑


E ⎡ an am ⎤ gT ( t − nTs ) gT ( t + τ − mTs ) ⎣ ⎦ Ra ( m − n ) gT ( t − nT ) gT ( t + τ − mT )
∑ ∑
Rs ( t + kTs , t + τ + kTs ) = Rξ ( t , t + τ )
Te = Te1 +
T e2 G1
+
T e3 G1G 2
+ ...
•其中 •Tei是第i级网络的等效噪温, •Gi是第i级网络的增益 •思考:换成噪声系数的表示形式?
11
4.8.3 天线等效噪温Ta(1)
天线噪声通过馈线进入接收机,当馈线损耗足够小、接收机 采用了LNA后,天线噪声就限制了接收系统噪声的进一步降 低。 天线噪温的定义为 Ta=Pa/kB 其中Pa是在B带宽内天线在匹配情况下所接收到的噪声功 率,该噪声功率来源与热噪声不同,它可以是 (1)天线固有的电阻特性损耗引起的噪声 (2)太阳系噪声 该部分噪声与太阳活动、天线仰角、方向等均有关 系 (3)宇宙噪声 (4)大气噪声及降雨噪声 (5)地面噪声
Ps ( f ) = ∫ Rs (τ )e − j 2π f τ dτ =
−∞ ∞
2 1 Pa ( f ) ⋅ GT ( f ) Ts
其中:Pa ( f ) =
m = −∞


Ra ( m ) e − j 2π fmTs ∼ 随机序列{an }的功率谱密度
∵ Ra (τ ) =
m = −∞
gT ( t ) ⇔ GT ( f )
接收机的噪声功率谱
无线通信,接收机与天线相连噪声功率谱
N 0 = K (Ta + Te ) = K (Ta + ( F − 1) T ) = KTF 注: Ta是天线等效噪温 F 是噪声系数
T是室温(绝对温度) Te是接收机等效噪温 无线通信中的典型参数: GSM基站接收机的噪声系数为10dB左右
(
)
gT ( t ) ∼ 发送脉冲波形,t ∈ ⎡0, Ts ⎤ ⎣ ⎦

∞ ⎡ ∞ ⎤ E ⎡ s ( t ) ⎤ = E ⎢ ∑ an gT ( t − nTs ) ⎥ = ma ∑ gT ( t − nTs ) ⎣ ⎦ n = −∞ ⎣ n = −∞ ⎦
周期为Ts

Rs ( t , t + τ ) = E ⎡ s ( t ) s ( t + τ ) ⎤ ⎣ ⎦
∑a

n
gT ( t − nTs )
~ 数字脉冲幅度调制(PAM) 随机序列
an ∼ 传输码(线路码 )

gT ( t ) ∼ 发送脉冲波形 (矩形、升余弦、高斯、半余弦脉冲)

x (t) =
n = −∞
∑a
n
gT ( t − nTs ) + n ( t )
24
PAM信号PSD的计算(一般方法)
1. 2.
KTBF,网络产生的噪声所折合的那部分输入 是KTB(F-1)。 对于级联系统噪声系数可等效为
F2 −1 F3 −1 F = F1 + + + k pa1 k pa1k pa2
Fn −1 + k pa1k pa2 k pa(n−1)
7
4.8.3 等效噪声温度
网络的等效噪声温度Te: 把网络产生的噪声看成是输入的电阻升温Te 度 天线的等效噪声温度Ta: 把天线输出的噪声看成是一个温度为Ta的电 阻所产生。
17
主要内容
数字基带系统的构成 数字基带信号及其频谱特性 基带传输的常用码型 无符号间干扰的基带传输特性 部分响应系统 无符号间干扰基带传输系统的抗噪声性能 眼图 时域均衡器
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信息代码、数字基带信号
信息代码:表示字母、数字或符号等消息 的二进制代码。 数字基带信号:数据序列的电波形表示; 电信号。单、双极性;归零码、不归零 码。
s (t ) = ∑ a n g T (t − nTb )
−∞
+∞
其中{an}广义平稳,以一定的概率取M个电平中的一个值。
25
基带信号的频谱特性(1)
s(t) =
n = −∞
∑a

n
gT ( t − nTs )
* 其中 {an } ∼ 广义平稳随机序列, E ( an ) = ma;Ra an an + k = Ra ( k )
15
第五章
数字基带传输系统
引言
什么是基带系统?
基带信号(功率谱低通型、直流)、基带信道(传递函 数低通型),信号频谱不搬移,直接传送。 将数字基带信号通过基带信道传输,称此传输系统 为数字基带传输系统
为什么要研究基带系统?
频带系统也存在基带传输问题,基带系统中的许多 概念、理论可直接应用于频带系统(光纤、无线); 理论上,频带传输系统总有一个基带传输系统与之 对应 —> 等效基带系统; 实际中存在基带传输(设备内部、外设),不只用于 低速率传输,还有高速传输,并有迅速发展的趋 势。
d n = bn ⊕ d n − 1
0 1 0 0 1
1
二进制单极性不归零码 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1
相对码
d n = bn ⊕ d n − 1
A 0
0
1
单极性不归零传号差分码 跳变:”1“ 0 0 0 0 1 1 0 1 1
相对码
d n = bn
d n −1
A 0
单极性不归零空号差分码 跳变:”0“
⎛ t 1⎞ gT ( t ) = Arect ⎜ − ⎟ ⎝τ 2⎠
A 0 -A
适于通过同轴电缆等在设备之间进行短距离传输
21
基本的数字基带信号波形(2)
差分码:用相邻码元电平是否跳变代表‘0’或‘1’
bn
+
延迟Ts
dn
码型编码
an
bn ∼ 绝对码 d n ∼ 相对码
差分编码 (相对编码)
A 0 1 1 0 1 1
G T ( f ) ⇒ Ps ( f ) 直接计算: 通过s(t)的自相关函数计算 介绍方法2:具体步骤 1. 设{an}广义平稳,证明s(t)是循环平稳随机过程 2. 对s(t)的自相关函数 Rs (t , t + τ )求时间平均值 R s (τ ) 3. 求 R s ( τ ) 的Fourier变换,得 PS ( f ) 4. 求{an}的自相关函数 MPAM的一般形式可表示为:
以卫星通信接收机的输入端作为参考点
Te=Ta/L+(1-1/L)Tk+Ter 这里 Ta是天线等效噪温 L是馈线损耗 Tk是馈线环境温度 Ter是接收机等效噪温 以馈线输入点作为参考点的等效噪温为 Te=Ta+(L-1)Tk+Lter 可以看到如果要减小卫星系统的等效噪温,需要 减小L和Ter。
14
4.8 接收机的噪声系数与等效噪声温度
噪声来源
热噪声 太阳辐射 宇宙辐射 其他
电火花、电磁泄漏、电磁辐射等
(注:除了热噪声外,其他的噪声在一定条 件下是可以认为消除的)
1
4.8 热噪声(1)
原理:自由电子的热运动 建模:白平稳遍历高斯过程 E ⎡n ( t )⎤ = 0 均值: ⎣ ⎦ N0 功率功率谱密度: Pn ( f ) = 2 N0 = KT 其中 N0 Rn (τ ) = E ⎡ n ( t ) n ( t + τ ) ⎤ = 自相关函数: ⎣ ⎦ 2 δ (τ ) 带宽B内的噪声功率 σ 2 = KTB n − 概率密度函数 1 2σ
2
No W KT = = ( Hz) 2 2
R
R
匹配:N(f)/4R
大部分温度和频带下
当T=290k
N 0 = kT
N0 = 1.38054×10-23 ×290 =4. 002×10-21 (W/Hz)
5
4.8.2 噪声系数(1)
噪声系数 F=(S/N)i/(S/N)o F的定义: 若一个电阻与线性网络匹配连接,当该电阻处 于室温(290K)下,输入信噪比与输出信噪比 的比值。
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基本的数字基带信号波形(1)
二进制单极性不 归零(NRZ)码
bn = 0, 1 ⇔ an = 0, 1
A
A 0
1
1
1
0
1
0
0
1ຫໍສະໝຸດ Baidu
0
Ts
t
⎛ t 1⎞ gT ( t ) = Arect ⎜ − ⎟ ⎝ Ts 2 ⎠
二进制 双极性 不 归零(NRZ)码
bn = 0,1 ⇔ an = −1, +1
⎛ t 1⎞ gT ( t ) = Arect ⎜ − ⎟ ⎝ Ts 2 ⎠


Ra ( m ) δ ( t − mTs )
数字基带信号s ( t ) 的功率谱密度与随机序列{an }的功率谱特性 Pa ( f )以及发送滤波器的频率特性GT ( f ) 有关.
27
基带信号的频谱特性(3)
特例:实随机序列{an }的各符号互不相关
12
4.8.3 天线等效噪温 Ta(2)
典型值:
12GHz,线极化,1.8m天线,仰角为30度以上时 等效噪温为30K 4GHz,圆极化,30m天线,仰角大于30度时等 效噪温约为22K。
馈线的噪声系数 在匹配的情况下,馈线的噪声系数为 F=L 其中,L是馈线损耗(功率)
13
举例(卫星通信中的等效噪声温度)
A 0 -A
1
1
1
0
1
0
0
1
20
基本的数字基带信号波形(2)
二进制单极性归 零(RZ)码
bn = 0, 1 ⇔ an = 0, 1
A 0 τ
A 0
1
1
1
0
1
0
0
1
Ts
τ
⎛ t 1⎞ gT ( t ) = Arect ⎜ − ⎟ ⎝τ 2⎠
t
二进制双极性归 零(RZ)码
bn = 0,1 ⇔ an = −1, +1
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