射频通信电路1-11

0 vi
+V
i-
线性电路输入输出关系
Vo aVin
非线性电路输入输出关系
Vo a0 a1Vi a2Vi a3Vi ...... anVi
2 3 n
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• 电路非线性产生的效应
1. 谐波(Harmonics) 2. 增益压缩(Gain Compressing) 3. 堵塞(Blocking)和交叉调制(CrossModulation) 4. 交调(Intermodulation) 5. AM-PM 非线性电路的输入输出关系
• 多网络级联电路噪声系数
Pni Rs T0 Gp1 B1 Te1 Pno1 Gp2 B2 Te2 Pno2 RL
第一级电路的输出噪声功率
Pno1 G p1k (T0 Te1 ) B
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第二级电路的输出噪声功率
P 2 G p 2 P 1 G p 2 kTe 2 B no no Te 2 G p1G p 2 kB (T0 Te1 ) G p1 G p1G p 2 kB (T0 Te )
•有源/无源器件的非线性特性
ic vbe ic
ic I s e
q vbe kt
vbe iD iD
vGS 2 iD I Dss (1 ) VGSoff
IDss VGSoff vGS
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Vcc i1
+ Vo -
i=i1-i2
i2
q i i1 i2 I oth Vi 2kT
PI S I ( f )df
f1
f2
P V

S
f1
f2 I f1
f2
V
( f )df
I I 2
噪声电流均方值 I n2 S ( f )df S ( f ) Const. I n2 S ( f

f1 )
噪声电压均方值 Vn2 S ( f )df S ( f ) Const. Vn2 S ( f
3.电路与系统的噪声效应
降低信号的信噪比; 降低接收机的灵敏度; 增大误码率; 提高解调器的最低门限 干扰正常通信
4.噪声信号的特征参量
噪声信号频谱(窄带,宽带,白噪声) 噪声功率谱(SI/V(f)),单位:dBm/Hz 等效噪声带宽
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噪声电流功率 噪声电压功率
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通信带宽
通信带宽B(BW) 通信系统实际允许传输的信号的最 高频率与最低频率之差。 实际通信系统通信带宽B主要取决 于信道“中放”带宽。任何通信系统不 能无失真地传输的信号频率变化范围大 于信道带宽。
语音电话信号带宽: 3KHz,有线电话信道带宽约为2.7KHz 高保真FM音乐信号带宽: 200KHz 电视信号带宽: 6MHz, 有线电视信道带宽带宽约为4.5MHz
0
2 S B H ( f )2 Vno i L 0
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电阻的热噪声特性
SI ( f ) 4kT / R
SV ( f ) S I ( f ) R 2 4kTR, k 1.380 x1023 J / K
带宽B的线性网络中R的噪声功率
Gp1 NF1
Gp2 NF2
解：
F1 1.59, F2 4 G p1 15.9, G p 2 10
F F1 F2 1 4 1 15.9 1.779 G p1 15.9
NF 10lg F 2.5dB
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&1.3 无线通信系统非线性及效应
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&1.2 无线通信系统噪声及效应
1. 电路与系统的噪声来源
电阻内电子的热运动 有源器件(晶体管)中电荷粒子的随 机运动 外界的干扰信号
2.电路与系统的噪声种类
电阻的热噪声 PN结的散粒噪声,MESFET的闪烁噪声 干扰信号 蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
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I 香农公式可改写为: B log 2 (1 S / N )
从而可确定一个通信系统在确定的信噪比 条件下传送给定信息容量(数据量)，需要多 大的系统信道带宽。 香农公式还可改写为:
S / N 2 1
1 B
可以确定一个通信系统在确定带宽条件下 传送给定信息容量(数据量)，需要多大的信 噪比。
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Pn0 Rs Te=0 有噪 网络 Gp RL Rs Te 无噪 网络 Gp
Nn0 RL
Pn 0 kBG pTe
Te Pn 0 / kBG p
Pni Rs
输入噪声功率 Pni kT0 B 输出噪声功率
Pno Gp k (T0 Te ) B
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• 谐波效应
y (t ) 2 A / 2 (1 A 3 3 A / 4) cos t
2 3
( 2 A cos 2t ) / 2 ( 3 A cos 3t ) / 4 ......
多级级连电路的噪声系数
( F2 1) ( F3 1) F0 F1 ...... G p1 G p1G p 2
级联电路前几级噪声系数对系统总噪声系 数贡献大,前级增益越大，后级噪声贡献越 小! 低噪高放（LNA）是提高接收机灵敏度的
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例：两级级连电路， NF1=2dB,Gp1=12dB,NF2=6 dB,Gp2=10dB,求总的噪声 系数NF。
Vi Ro
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解：该电路电压增益 输入信号功率
Psi
Ro Gp Rs Ro
wk.baidu.com
输入噪声功率
输出信号功率 电路噪声系数
Pni 4kTRs B
Pso G p Psi
2
输出噪声功率 Pno 4kT ( Rs // Ro ) B
Psi / Pni 4kT ( Rs // Ro ) B Rs Ro F Pso / Pno 4kTRs B Ro
Te 2 级联等效噪声温度 Te Te1 G p1
Te1 ( F1 1)T0 Te 2 ( F2 1)T0
Te ( F2 1) F 1 F1 To G p1
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多级级连电路的等效噪声温度
Te 2 Te3 Te Te1 ...... G p1 G p1G p 2
第一章 通信系统噪声和非线性特性
（书中第二章）
电子科技大学 蔡竟业
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无线通信收发机ＲＦ前端结构示意图
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&1.1 无线通信系统信息容量
• 无线通信信号及参数
一、基本信号
通信最基本的信号为正弦（余弦）信号。理 想单频正弦信号的数学表征如下： V(t)=V0Sin(2π f0t+θ 0)= V0Sin(Φ (t)) V0为正弦时变信号的峰值（电压） f0为正弦时变信号的频率（Hz） θ 0为正弦时变信号的初始相移（弧度） Φ (t) 为正弦时变信号的相角 蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
y (t ) 1 x(t ) 2 x(t ) 2 3 x(t ) 3 ......
x(t ) A cost
y(t ) 2 A 2 / 2 (1 A 3 3 A3 / 4) cost ( 2 A 2 cos 2t ) / 2 ( 3 A3 cos3t ) / 4 ......
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• 香农(C.E.Shannon)信息容量极限理论
I=B log2(1+S/N) 或 I=3.32 Blog10(1+S/N) I为信息容量，单位b/s, B为通信系统信号带宽，单位Hz, S/N为信噪功率比。
决定通信系统性能(信息容量,质量)的 两个重要参数：通信系统信道带宽和通信信 号信噪比(干扰噪声功率谱)!
2 4kTRB Vno
2 4kTB / R In
电阻R热噪声源的资用噪声功率
No 4kTBR / 4 R kTB
PN结的散粒噪声特性
S I ( f ) 2qI o
闪烁噪声特性 SV ( f ) K / f o
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两端口网络的等效输入噪声源
Pno Gp,B,Te RL
T0
Psi / N ni Psi / kT0 B Te F 1 Pso / N no G p Psi / G p k (T0 Te ) B To
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等效噪声温度应用在低噪声接收系统 （卫星通信）,其噪声系数小,F趋于1，使 用等效噪声温度，分辨率较高。
信息信号愈复杂，其带宽就愈大。
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• 信噪比
信号噪声功率比－信噪比是衡量通信信号质量好坏 的重要指标之一！ SNR ＝S/N=Ps/Pn Ps——信号功率（W） Pn——噪声功率（W） Pn是指落入通信通带范围内噪声的总功率。 SNR=10log10(Ps/Pn) dB 在理论分析中信号功率容易确定，噪声是随机的， 不确定的 ，噪声的功率则不易计算，理论分析中常用 噪声功率积分得到，其可通过实际测量得到。
V V V f1
f2
2
f1 )
等效噪声带宽

Si(f)

2 S ( f ) H ( f ) 2 df Vno i 0
2

2 S H ( f ) 2 df Vno i 0


H(f)
So(f)
2
S o ( f ) Si ( f ) H ( f )
BL H ( f ) df / H ( f 0 ) 2
2
Rs 1 Ro
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讨论
(1) (2)
Ro , F Rs Ro , F 2 (阻抗匹配)
(3) 无源电路的噪声系数等于其插入损耗
1 F L Gp
等效噪声温度
若任何一个线性网络产生的噪声为白噪声， 则可用网络输入端温度为Te的电阻所产生的 热噪声来代替，此时，该网络可视为无噪的。
二、调制信号
在实际通信系统中V(t)称为载波信号，其 f0决定了通信系统实际工作的频段（波段）。 V(t)有一个t变量,三个参量（V0，f0，θ 0或 Φ (t)．实现通信（信息传输）需将信息－ 基带信号调制在V(t)中三个参量上，得到被 调制载波信号（调制信号）。
三、调制信号种类
• 模拟调制信号（调幅、调频、调相、复合调制） • 数字调制信号（调幅、调频、调相、复合调制）
NF=10log(F) （dB）
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电路或系统的噪声系数与电路自身的噪 声大小有关,还与输入信号的噪声大小及电 路增益相关。
任何实际电子系统总是有噪声的，所以F 一定大于1。理想无噪声电路的噪声系数F=1 或NF=0dB Rs 例：如图示二端口 网络，试求其噪声 系数。
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噪声系数(Noise Factor)
RF电路或系统的性能可用噪声系数表征!
F=输入信噪比/输出信噪比
Psi 输入信噪比 SNR i = Pni
PSi Pni
G p Psi
Gp Pn0
Pso=GpPsi Pno=GpPni+Pn0
输出信噪比 噪声系数
Psi SNR o = G p Pni Pn 0 Pni Pn 0 / G p Pn 0 F SNRi / SNRo 1 G p Pni
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1.对V0进行调制(AM/ASK) 中波广播 2.对f0进行调制(FM /FSK) 超短波调频广播 3.对θ 0或Φ (t)进行调制 (Φ M/MPSK/MSK/GMSK,间接调频) GPS, GSM, PLRS 4.复合调制－对二个以上参量同时进行调制 （AM+Φ M，QAM) 短波SSB通信,WLAN