微波收发技术噪声和接收机灵敏度(本)
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• 外部噪声 – 外部设备的电磁干扰、各种雷电和云层放电所辐 射的电磁干扰和宇宙间其它星系辐射的电磁干扰 所产生的噪声。
热噪声的分析
RN A
PN kTB
•噪声功率随带宽的减小而减小 •噪声功率随温度的降低而降低 •噪声功率公式仅适应于1000GHz以下的频率
噪声系数的定义1
Sin NF Nin
微波通信技术
第4章 微波通信中的收发技术
主要内容
基本知识：微波工程常用单位 和表示方法 无线系统体系构架 系统的非线性和补偿措施 系统的噪声和噪声系数 系统的灵敏度和动态范围 微波收发系统的实现 微波收发系统中的频率源技术 设计实例
主要内容
• 引言 – 噪声的来源 – 噪声对微波通信系统的影响
• 噪声系数的定义 • 级联系统的噪声系数 • 混频器的噪声系数
Sout N out
Nout N in Ga
输入端信噪比 输出端信噪比
• 意义：
Nout k T0 BnGa
信号通过二端口网络(放大器)后，由于器件本 身产生噪声，使信噪比变坏，使信噪比下降的 倍数就是该器件的噪声系数。
噪声系数的定义2
• 输出端的噪声可分为两部分
– 由进入系统的外部噪声造成的 NinGa
计算收信门限电平的例题(2)
1）根据BER与Eb/N0的公式，当BER=2×10-5时 Eb/N0=17.4dB，则C/N=Eb/N0+10log(log264)= 17.4+7.8=25.2dB
2）等效噪声带宽 B=155×106/log264=25.83×106MHz
3）Prt=-114+2+10log(25.83)+25.2=72.6dBm 注意：如果不考虑余弦滚降系数，可以直接利用 Eb/N0、传输速率和噪声系数等参数计算收信门 限电平。
动态范围的定义(3)
SFDR=Pin,max/Pin,min
1）根据噪声基底和SNRmin可以求出Pin,min 2）根据噪声基底和IIP3可以求出Pin,max
Po1 GP Pin
Po3
G P3 P3 in
GP3
Po1 Po3 (Pin IIP3 )
GP IIP3 2
P G P 3
➢N0代表接收机输入端单边带噪声功率谱密度。 ➢对理想信道，可取fs=B，对于基带具有余弦滚降特性 பைடு நூலகம்频带传输系统，B=（1+α）.fs
收信门限电平(3)
• 当B=fs时，
C N
Es N0
Eb N0
• log 2 M
3. 根据调制方式和传输速率确定等效噪声带宽
B
fb
•
fb log 2M
• (1 )
而
Po,m in No
SNRo,min是所要求的最低输出信噪比，因
此灵敏度为Pin,min=kB[Ta+(F-1) T0](SNR)o,min
灵敏度的定量表达式(3)
灵敏度用dB表示
Pin,min(dBm) 10logkTaF1T0(dBm/ Hz)10log(B)
SNR
系统的基底噪声Ft
当Ta=T0=290K时，基底噪声为
灵敏度的定量表达式(1)
设接收机天线的等效噪声温度为Ta，接收机的噪声 系数为F，功率增益为G，带宽为B。
设最低的可检测输入功率电平为Pin,min，则
Pin,min= Pout,min/G 其中Pout,min是经接收机放大后对应的最低可检测 输出功率。
Pin,min
Po,min G
No G
Po,min No
– 系统的内部附加噪声
Na
– Pn=Na+NinGa
NF Na NinGa NinGa
Na kT0BnGa k T0 BnGa
Noise (in)
Na
Noise (in) x Gain [N in G]
Gain 20dB NF 10dB
To= 290K
Nin at 290K
Na
Np = Na + Nin G
主要内容
• 灵敏度 – 灵敏度的定义 – 灵敏度的定量表示 – 收信门限电平
• 动态范围 – 动态范围的定义 – 动态范围的定量表示
灵敏度的定义
• 在给定接收机解调器前所要求的输出信噪 比的条件下，接收机所能检测的最低输入 信号电平。
• 灵敏度与所要求的信号质量即输出信噪比 有关，还与接收机本身的噪声系数有关。
噪声对微波通信系统的影响(1)
噪声对微波通信系统的影响(2)
噪声的来源
• 热噪声 – 导体内部电子的热运动和电子器件中的载流子的 不规则运动所产生的噪声.
• 各种干扰噪声 – 主要是由电波多径传播、阻抗失配、电源波动及 其它欣道的干扰所产生的噪声。
• 波形失真 – 传输设备的线性失真与非线性失真所产生的噪声
o3
L 1 L log L
erfc
3log 2 L L2 1
•
Eb N0
L M
BER64QAM
7 24
erfc
1Eb 7N0
收信门限电平(2)
2. 根据调制方式确定系统的载噪比 C/N
C Pr Es • fs N NF KT0B N0 B N0 NF KT0
C Es / Ts
➢这里考虑的噪声是接收机输入端的总的白噪声，包括 接收机输入匹配噪声电阻供给的及接收机本身产生的热 噪声功率之和。
• 若M2>M1，则Amp1排在Amp2前面，F12>F21
例子
• Amp1 F=2,G=10dB, Amp2 F=2，G=20dB • 则M1=1.11111 ，M2=1.05，因此Amp2排在
Amp1的前面
• F12=2+（2-1）/（1-10）=2.1 • F21=2+（2-1）/（1-100）=2.01
有耗二端口网络的噪声系数
• 我们将有耗二端口网络视为无源有耗器件，如衰减 器、有耗传输线等
• 用损耗因子L来表示，GA=1/L
FLT T0
• 室温下 F=L
级联系统中的噪声系数(1)
G1,F1,Bn
G2,F2,Bn
• (F1，G1)为第一级放大器的噪声系数和增益 • (F2，G2)为第二级放大器的噪声系数和增益 • F0为级联后的系统噪声系数
动态范围的定义(2)
1) 对功率放大器常用线性动态范围的概念(Linear dynamic range)。 定义为：产生1dB压缩点的输入信号电平与灵敏 度或（或噪声基底之比）
2) 对LNA和混频器则常用无杂散动态范围的概念 (SFDR)(Spurious-free dynamic range)，即下限输 入信号为灵敏度（或下限为噪声基底），上限为在 输出端引起的三阶交调失真分量Po3等于最小可检 测电平，折合到到输入端，恰好等于输入信号为灵 敏度（或下限为噪声基底）， 即Pin,max=Ft/GP。
Imperfect Amplifier Degrades Signal to
Noise Ratio
噪声系数的定义3
• 利用等效噪声温度
将放大器自身产生的那部分噪声由其输入端的 等效噪声温度Te来表示
则Na=kTefG 同样Nin=kT0fG
NF kT0fG kTefG T0 Te
k T0 fG
接收机输出 总噪声功率
灵敏度的定量表达式(2)
No是天线噪声经放大后的输出与接收机内部附加噪 声的总合，即No=kBTaG+Na。
Na可视为等效噪声温度为Te的天线噪声电阻经放大 后在接收机输出端呈现的噪声功率，Na=kBTeG
由噪声系数的定义，F=1+Te/T0，Te = (F-1)T0
则No=kB[Ta+(F-1) T0]G
结论： 基底噪声与所要求的信噪比共同决定了输入灵敏 度。系统的噪声基底越大或者要求输出的信噪比 越高（信号质量越高），为保证输出质量所要输 入的信号最低电平越高，即灵敏度低。
例
一低噪声放大器的增益为20dB，噪声系 数为2dB，假设其工作带宽为100MHz， 问：该LNA的输出基底噪声是多少？
基底噪声(dBm) 114(dBm / MHz) NF(dB) 10log B(MHz) 114 2 10log(100) 114 2 20 82dBm
T0
NF 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.5 2.0 3.0 4 NF(dB) 1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.23 1.259 1.413 1.585 1.995 2.512 Te(K) 6.82 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 120.9 171.3 291.6 442.9
引言
• 在微波通信系统中，接收机要处理很微弱的信号， 但是组成系统的各个部分的附加噪声往往会淹没 这些微弱信号。
• 灵敏度、BER、NF是表征系统处理微弱信号能 力的系统参数，其中NF具有独特的作用，它不仅 可以描述整个系统，也可以描述组成系统的各个 部件。通过控制各个部件的NF及增益，即可确定 整个系统的NF，从而根据系统带宽来确定系统的 灵敏度，进而确定系统的BER。
Na1 (F1 1)kT0BnG1
对N级级联系统
F
F1
F2 1 G1
F3 1 G1G2
......
FN 1 G1G2...GN 1
F
F1
F2 1 G1
噪声度量
• 定义噪声度量标准
M F 1 1 1/ G
• 若Amp1（F1，G1），Amp2 （F2，G2）
• 若M1>M2，则Amp2排在Amp1前面，F21>F12
4. 根据灵敏度的计算公式即可确定在某噪声系数下 的收信门限电平
计算收信门限电平的例题(1)
• 某通信系统的调制方式为64QAM调制，经相
干解调，BER与归一化信噪比的关系为
7
BER64QAM
24
erf
c
1Eb 7N0
当系统BER=2×10-5，NF=2dB,通信速率为 155Mbps时，系统的收信门限电平？
Prt=-114+NF+10log(fb) (MHz)+Eb/N0
动态范围(1)
接收机（特别是移动接收机）所接收的信号强弱 是变化的，通信系统的有效性取决于它的动态范 围，即高性能地工作所能承受的信号变化范围。 动态范围的下限是灵敏度，它受到噪声基底的限 制。当输入信号太大时，由于系统的非线性而产 生了失真，输出信噪比反而下降，因此动态范围 的上限由最大可接受的信号失真决定。
级联系统中的噪声系数(2)
G1,F1,Bn
G2,F2,Bn
kT0Bn
Na2 (F2 1)kT0BnG2
Na2
总附加功率
Na1
Na1G2
总噪声功率
kT0Bn
kT0BnG1
kT0BnG1G2
Nout kT0Bn FG1G2 Na1 (F1 1)kT0BnG1
级联系统中的噪声系数(3)
Nout kT0Bn FG1G2 Nout Na2 Na1G2 kT0 BnG1G2 Na2 (F2 1)kT0BnG2
• 应合理地分配各级电路的噪声系数和增益
• 在一定条件下,系统的噪声系数只取决于系统 的第1级电路的噪声系数
计算接收机的总噪声系数
IL=2dB
G=20dB NF=2dB
CL=7dB
G=30dB NF=6dB
主要内容
基本知识：微波工程常用单位 和表示方法 无线系统体系构架 系统的非线性和补偿措施 系统的噪声和噪声系数 系统的灵敏度和动态范围 微波收发系统的实现 微波收发系统中的频率源技术 设计实例
第1级NF对系统的影响
F1 2dB(1.58) F2 10dB(10) G1 10dB(10) G1 20dB(100)
F1 2dB(1.58) F2 10dB(10) G1 20dB(100) G1 20dB(100)
F0 3.94dB(2.48) F0 2.04dB(1.67)
收信门限电平(1)
• 根据调制方式、传输速率、BER门限 可确定通信系统的收信门限电平。
过程如下：
1. 首先根据调制方式和BER门限，求出对应的理
论归一化比特能量信噪比Eb/N0
MQAM相干解调的BER
BER4QAM
1 2
erf
c
Eb N0
3
BER16QAM
8
erf
c
2Eb 5N0
BER
基底噪声(dBm) 10logkT0 (dBm / Hz) NF(dB) 10log( B)
174(dBm / Hz) NF(dB) 10log B(Hz) 114(dBm / MHz) NF(dB) 10log B(MHz)
灵敏度的定量表达式（4）
Pin,min (dBm) 174(dBm / Hz) NF(dB) 10log B(Hz) SNR
热噪声的分析
RN A
PN kTB
•噪声功率随带宽的减小而减小 •噪声功率随温度的降低而降低 •噪声功率公式仅适应于1000GHz以下的频率
噪声系数的定义1
Sin NF Nin
微波通信技术
第4章 微波通信中的收发技术
主要内容
基本知识：微波工程常用单位 和表示方法 无线系统体系构架 系统的非线性和补偿措施 系统的噪声和噪声系数 系统的灵敏度和动态范围 微波收发系统的实现 微波收发系统中的频率源技术 设计实例
主要内容
• 引言 – 噪声的来源 – 噪声对微波通信系统的影响
• 噪声系数的定义 • 级联系统的噪声系数 • 混频器的噪声系数
Sout N out
Nout N in Ga
输入端信噪比 输出端信噪比
• 意义：
Nout k T0 BnGa
信号通过二端口网络(放大器)后，由于器件本 身产生噪声，使信噪比变坏，使信噪比下降的 倍数就是该器件的噪声系数。
噪声系数的定义2
• 输出端的噪声可分为两部分
– 由进入系统的外部噪声造成的 NinGa
计算收信门限电平的例题(2)
1）根据BER与Eb/N0的公式，当BER=2×10-5时 Eb/N0=17.4dB，则C/N=Eb/N0+10log(log264)= 17.4+7.8=25.2dB
2）等效噪声带宽 B=155×106/log264=25.83×106MHz
3）Prt=-114+2+10log(25.83)+25.2=72.6dBm 注意：如果不考虑余弦滚降系数，可以直接利用 Eb/N0、传输速率和噪声系数等参数计算收信门 限电平。
动态范围的定义(3)
SFDR=Pin,max/Pin,min
1）根据噪声基底和SNRmin可以求出Pin,min 2）根据噪声基底和IIP3可以求出Pin,max
Po1 GP Pin
Po3
G P3 P3 in
GP3
Po1 Po3 (Pin IIP3 )
GP IIP3 2
P G P 3
➢N0代表接收机输入端单边带噪声功率谱密度。 ➢对理想信道，可取fs=B，对于基带具有余弦滚降特性 பைடு நூலகம்频带传输系统，B=（1+α）.fs
收信门限电平(3)
• 当B=fs时，
C N
Es N0
Eb N0
• log 2 M
3. 根据调制方式和传输速率确定等效噪声带宽
B
fb
•
fb log 2M
• (1 )
而
Po,m in No
SNRo,min是所要求的最低输出信噪比，因
此灵敏度为Pin,min=kB[Ta+(F-1) T0](SNR)o,min
灵敏度的定量表达式(3)
灵敏度用dB表示
Pin,min(dBm) 10logkTaF1T0(dBm/ Hz)10log(B)
SNR
系统的基底噪声Ft
当Ta=T0=290K时，基底噪声为
灵敏度的定量表达式(1)
设接收机天线的等效噪声温度为Ta，接收机的噪声 系数为F，功率增益为G，带宽为B。
设最低的可检测输入功率电平为Pin,min，则
Pin,min= Pout,min/G 其中Pout,min是经接收机放大后对应的最低可检测 输出功率。
Pin,min
Po,min G
No G
Po,min No
– 系统的内部附加噪声
Na
– Pn=Na+NinGa
NF Na NinGa NinGa
Na kT0BnGa k T0 BnGa
Noise (in)
Na
Noise (in) x Gain [N in G]
Gain 20dB NF 10dB
To= 290K
Nin at 290K
Na
Np = Na + Nin G
主要内容
• 灵敏度 – 灵敏度的定义 – 灵敏度的定量表示 – 收信门限电平
• 动态范围 – 动态范围的定义 – 动态范围的定量表示
灵敏度的定义
• 在给定接收机解调器前所要求的输出信噪 比的条件下，接收机所能检测的最低输入 信号电平。
• 灵敏度与所要求的信号质量即输出信噪比 有关，还与接收机本身的噪声系数有关。
噪声对微波通信系统的影响(1)
噪声对微波通信系统的影响(2)
噪声的来源
• 热噪声 – 导体内部电子的热运动和电子器件中的载流子的 不规则运动所产生的噪声.
• 各种干扰噪声 – 主要是由电波多径传播、阻抗失配、电源波动及 其它欣道的干扰所产生的噪声。
• 波形失真 – 传输设备的线性失真与非线性失真所产生的噪声
o3
L 1 L log L
erfc
3log 2 L L2 1
•
Eb N0
L M
BER64QAM
7 24
erfc
1Eb 7N0
收信门限电平(2)
2. 根据调制方式确定系统的载噪比 C/N
C Pr Es • fs N NF KT0B N0 B N0 NF KT0
C Es / Ts
➢这里考虑的噪声是接收机输入端的总的白噪声，包括 接收机输入匹配噪声电阻供给的及接收机本身产生的热 噪声功率之和。
• 若M2>M1，则Amp1排在Amp2前面，F12>F21
例子
• Amp1 F=2,G=10dB, Amp2 F=2，G=20dB • 则M1=1.11111 ，M2=1.05，因此Amp2排在
Amp1的前面
• F12=2+（2-1）/（1-10）=2.1 • F21=2+（2-1）/（1-100）=2.01
有耗二端口网络的噪声系数
• 我们将有耗二端口网络视为无源有耗器件，如衰减 器、有耗传输线等
• 用损耗因子L来表示，GA=1/L
FLT T0
• 室温下 F=L
级联系统中的噪声系数(1)
G1,F1,Bn
G2,F2,Bn
• (F1，G1)为第一级放大器的噪声系数和增益 • (F2，G2)为第二级放大器的噪声系数和增益 • F0为级联后的系统噪声系数
动态范围的定义(2)
1) 对功率放大器常用线性动态范围的概念(Linear dynamic range)。 定义为：产生1dB压缩点的输入信号电平与灵敏 度或（或噪声基底之比）
2) 对LNA和混频器则常用无杂散动态范围的概念 (SFDR)(Spurious-free dynamic range)，即下限输 入信号为灵敏度（或下限为噪声基底），上限为在 输出端引起的三阶交调失真分量Po3等于最小可检 测电平，折合到到输入端，恰好等于输入信号为灵 敏度（或下限为噪声基底）， 即Pin,max=Ft/GP。
Imperfect Amplifier Degrades Signal to
Noise Ratio
噪声系数的定义3
• 利用等效噪声温度
将放大器自身产生的那部分噪声由其输入端的 等效噪声温度Te来表示
则Na=kTefG 同样Nin=kT0fG
NF kT0fG kTefG T0 Te
k T0 fG
接收机输出 总噪声功率
灵敏度的定量表达式(2)
No是天线噪声经放大后的输出与接收机内部附加噪 声的总合，即No=kBTaG+Na。
Na可视为等效噪声温度为Te的天线噪声电阻经放大 后在接收机输出端呈现的噪声功率，Na=kBTeG
由噪声系数的定义，F=1+Te/T0，Te = (F-1)T0
则No=kB[Ta+(F-1) T0]G
结论： 基底噪声与所要求的信噪比共同决定了输入灵敏 度。系统的噪声基底越大或者要求输出的信噪比 越高（信号质量越高），为保证输出质量所要输 入的信号最低电平越高，即灵敏度低。
例
一低噪声放大器的增益为20dB，噪声系 数为2dB，假设其工作带宽为100MHz， 问：该LNA的输出基底噪声是多少？
基底噪声(dBm) 114(dBm / MHz) NF(dB) 10log B(MHz) 114 2 10log(100) 114 2 20 82dBm
T0
NF 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.5 2.0 3.0 4 NF(dB) 1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.23 1.259 1.413 1.585 1.995 2.512 Te(K) 6.82 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 120.9 171.3 291.6 442.9
引言
• 在微波通信系统中，接收机要处理很微弱的信号， 但是组成系统的各个部分的附加噪声往往会淹没 这些微弱信号。
• 灵敏度、BER、NF是表征系统处理微弱信号能 力的系统参数，其中NF具有独特的作用，它不仅 可以描述整个系统，也可以描述组成系统的各个 部件。通过控制各个部件的NF及增益，即可确定 整个系统的NF，从而根据系统带宽来确定系统的 灵敏度，进而确定系统的BER。
Na1 (F1 1)kT0BnG1
对N级级联系统
F
F1
F2 1 G1
F3 1 G1G2
......
FN 1 G1G2...GN 1
F
F1
F2 1 G1
噪声度量
• 定义噪声度量标准
M F 1 1 1/ G
• 若Amp1（F1，G1），Amp2 （F2，G2）
• 若M1>M2，则Amp2排在Amp1前面，F21>F12
4. 根据灵敏度的计算公式即可确定在某噪声系数下 的收信门限电平
计算收信门限电平的例题(1)
• 某通信系统的调制方式为64QAM调制，经相
干解调，BER与归一化信噪比的关系为
7
BER64QAM
24
erf
c
1Eb 7N0
当系统BER=2×10-5，NF=2dB,通信速率为 155Mbps时，系统的收信门限电平？
Prt=-114+NF+10log(fb) (MHz)+Eb/N0
动态范围(1)
接收机（特别是移动接收机）所接收的信号强弱 是变化的，通信系统的有效性取决于它的动态范 围，即高性能地工作所能承受的信号变化范围。 动态范围的下限是灵敏度，它受到噪声基底的限 制。当输入信号太大时，由于系统的非线性而产 生了失真，输出信噪比反而下降，因此动态范围 的上限由最大可接受的信号失真决定。
级联系统中的噪声系数(2)
G1,F1,Bn
G2,F2,Bn
kT0Bn
Na2 (F2 1)kT0BnG2
Na2
总附加功率
Na1
Na1G2
总噪声功率
kT0Bn
kT0BnG1
kT0BnG1G2
Nout kT0Bn FG1G2 Na1 (F1 1)kT0BnG1
级联系统中的噪声系数(3)
Nout kT0Bn FG1G2 Nout Na2 Na1G2 kT0 BnG1G2 Na2 (F2 1)kT0BnG2
• 应合理地分配各级电路的噪声系数和增益
• 在一定条件下,系统的噪声系数只取决于系统 的第1级电路的噪声系数
计算接收机的总噪声系数
IL=2dB
G=20dB NF=2dB
CL=7dB
G=30dB NF=6dB
主要内容
基本知识：微波工程常用单位 和表示方法 无线系统体系构架 系统的非线性和补偿措施 系统的噪声和噪声系数 系统的灵敏度和动态范围 微波收发系统的实现 微波收发系统中的频率源技术 设计实例
第1级NF对系统的影响
F1 2dB(1.58) F2 10dB(10) G1 10dB(10) G1 20dB(100)
F1 2dB(1.58) F2 10dB(10) G1 20dB(100) G1 20dB(100)
F0 3.94dB(2.48) F0 2.04dB(1.67)
收信门限电平(1)
• 根据调制方式、传输速率、BER门限 可确定通信系统的收信门限电平。
过程如下：
1. 首先根据调制方式和BER门限，求出对应的理
论归一化比特能量信噪比Eb/N0
MQAM相干解调的BER
BER4QAM
1 2
erf
c
Eb N0
3
BER16QAM
8
erf
c
2Eb 5N0
BER
基底噪声(dBm) 10logkT0 (dBm / Hz) NF(dB) 10log( B)
174(dBm / Hz) NF(dB) 10log B(Hz) 114(dBm / MHz) NF(dB) 10log B(MHz)
灵敏度的定量表达式（4）
Pin,min (dBm) 174(dBm / Hz) NF(dB) 10log B(Hz) SNR