接收机基础

接收机动态范围（DR）
接收机动态范围是指接收机 可检测的最小信号与在失真 允许情况下能接收的最大信 号的范围。 最小可检测信号受限于接收 机噪声 在失真允许情况下最大接收 信号取决于接收机的饱和输 出特性。 如果输入功率低于动态范围 的下限，噪声将占主导地位。 如果输入功率超过动态范围 的上限，输出开始饱和。 接收机动态范围是设计射频 与微波电路的重要依据之一。
噪声大小怎么表示─接收机噪声系数
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对于N个二端口网络级连组成的系统，其总的噪声系数 为
Fn 1 F2 1 F3 1 F F1 G1 G1G2 G1G2 Gn1
F1 G1
F2 G2
F3 G3
…
Fn–1 Gn–1
Fn Gn
N个网络的级连 由此可见，第一级的增益、噪声系数对总链路的噪声 系数起决定作用。注意式中G、F是功率比。对损耗为L （以功率比表示）的无源器件，G = 1/L，F = L。
1dB压缩点
当中频输出功率与线性时 相 比 减 小 1dB ， 或 转 换 损 耗增加 1dB 的点就叫做 1dB 压 缩 点 。 此 1dB 压 缩 点 就 定义为动态范围的上限。 对于增益为 G 的放大器或 接 收 机 在 1dB 压 缩 点 ， 以 dBm 计的输入信号功率或 驱动功率（ PD ）由图可见 为： PD Pout G 1dB 对于转换损耗为Lc的混频器
接收机内部噪声可分为三类
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1．热噪声（Thermal, Johnson, or Nyquist noise）：电阻热噪声源 于束缚电荷的随机起伏。在通带B范围内热电阻噪声电压的均方 值为
Vn2 4kTBR
式中k为波尔兹曼常数；T是电阻器的绝对温度，单位K；B是带 宽，单位为Hz；R是电阻，单位为。 热噪声分布与频率无关，也叫做白噪声。 2．闪粒噪声（shot noise）：闪粒噪声源于真空电子管、固态器 件发射电子的起伏。 3．1/f噪声（Flicker or 1/f噪声）：顾名思义，1/f噪声与频率成 反比，从1Hz到100MHz范围内1/f噪声才是重要的。超过100MHz 热噪声起主要作用。
PD Pout Lc 1dB
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实际系统（混频器、放大器） 1dB压缩点
注意式中PD、Pout都以 dBm表示，而G、Lc以dB表示。Pout是1dB 压缩点输出功率，PD则是1dB压缩点对应的输入功率。
接收机动态范围
根据前面定义的1dB压缩点以及 增益、带宽、噪声系数，动态 范围DR就是1dB压缩点输入信 号功率电平与最小可检测输入 信号电平之差，即
DR sf 3
IP 3 G MDS
式中 IP3 为二个信号输入时三阶交截点（ Third-order two-tone intercept），将在下节讨论。
三阶交截点和交调分量
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当两个频率为f1、f2的信号源或更多频率的信号源加到一个非线 性器件时，原则上将会产生 mf1 nf2 m, n 0,1,2, 多 个 交 调 分 量 （Intermodulation (IM) products），并可分为二阶交调分量 f1 f 2 ， 三阶交调分量 2 f1 f 2 , 2 f 2 f1 ，以及更高阶交调分量。
噪声大小怎么表示─接收机噪声系数
例题：计算如图1-5所示两级放大器的总噪声系数。
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F1 = 3 dB G1 = 20 dB
F2 = 5 dB G2 = 20 dB
级连放大器 解： F1 = 3dB = 2， F2 = 5dB = 3.162，
G1 = 20dB = 100，
G2 = 20dB = 100，
因此级连放大器的等效噪声温度可表示成
Te 2 Te3 Ten Te Te1 G1 G1G2 G1G2 Gn1
Ten是n级以K表示的等效噪声温度。
动态范围，1dB压缩点，最小可检测信号
混频器、放大器以至整个接收 机通常工作于线性区域，即输 出功率与输入功率呈线性关系， 其比例系数就是转换损耗或转 换增益。 线性工作时，输入功率的变化 范 围 ， 称 为 动 态 范 围 （dynamic range, DR）。如果 输入功率超过动态范围的上限， 输出开始饱和；如果输入功率 低于动态范围的下限，噪声将 占主导地位。
外差接收机(二次混频接收系统) 3
来自百度文库
滤波器 1 限制输入信号的通带以减少互调干扰以及本振通过天线的辐 射。 低噪声放大器放大的信号与第一本振输出的信号同时加到混频器 1 ， 其输出的高中频信号经高中频滤波器1滤波后被高中频放大器1放大。 被放大的高中频信号与第二本振输出的信号经混频器 2 再次混频后， 得到的低中频信号通过低中频滤波器 2 滤波后，最后送到检波器恢复 出基带信号。
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实际系统（混频器、放大器）1dB压缩点
接收机噪声源
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接收机噪声来自两个方面，一是天线接收到的噪声，二是接收机自身产生的 噪声。 天 线 接 收 到 的 噪 声 包 括 天 空 噪 声 （ sky noise ） ， 大 气 噪 声 （ atmospheric noise ），地球噪声（ earth noise ）、银河噪声（ galactic noise ）和人工噪声 （man-made noise）。 天空噪声的噪声功率可表示为
S o GSi
输出噪声No应为N0 = GNi +网络产生的噪声Nn。
Si / N i No 网络产生的噪声Nn为 N n N o GNi （W） 故 F GSi / N o GNi 所以 N o FGNi （W）
故以分贝表示的输出噪声等于输入噪声 No(dB) 加上噪声系数 F(dB) 和增益 G(dB)。
对接收系统的要求是
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1．灵敏度（Sensitivity）：接收机灵敏度衡量接收机检测微弱信号的能力， 对于模拟接收机用信噪比（SNR）量度，对数字接收机则用误码率（BER） 表示。 2．选择性（Selectivity）：接收机的选择性衡量接收机抗拒接收相邻信道信 号的能力。要实现70-90dB选择性是很困难的。 3．Spurious response rejection: the ability of reject undesirable channel responses is important in reducing interference. This can be accomplished by properly choosing the IF and using various filters. Rejection of 70-80 dB is possible. 4．Intermodulation rejection: the receiver has the tendency to generate its own onchannel interference from one or more RF signals. Those interference signals are called intermodulation (IM) products. Greater than 70 dB rejection is normally desirable. 5．频率稳定性（frequency stability）：本振的频率稳定性对于降低频率调制， 相位噪声十分重要。常用的频率稳定技术有介质谐振器、锁相环、频率综合 器等。 6．辐射（radiation emission）：本振信号经过混频器泄漏到天线并经天线辐 射到自由空间引起的干扰务必低于FCC规定的电平。
无线通信是近年射频与微波电路发展的最大推动力
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典型的GSM移动通信系统
无线通信系统发射机、接收机离不开射频与微波电路
任何无线通信系统都包括发射机和接收机两个基本部分。 发射机的功能是将信号调制到载波上，并由天线辐射出去。
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接收机的功能则相反，将天线接收到的加载在载波上的信号恢 复出来。
发射机和接收机由调制器、功率放大器、频率合成器、低噪声 放大器、解调器、天线以及相关的滤波器、耦合器等有源、无 源基本射频与微波电路单元构成。 正确理解接收机、发射机电气特性的有关参数，对射频与微波 电路设计十分重要。它是我们对各类有源、无源射频与微波电 路提出要求的依据。
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DR PD MDS
注意，PD和MDS用dBm表示，DR则是dB。
当不止一个信号加到输入端时， 动态范围定义为“ spurious-free region” ，如果输入信号电平相 实际系统（混频器、放大器） 等 ， “ spurious-free” 动 态 范 围 1dB压缩点 DRsf 2
噪声大小怎么表示─接收机噪声系数
Si Ni = kTB F G Nn So No
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接收机可用一个二端口网络表示。对于任何一个二端口网络，噪声系数 F 的 定义是
输入端信噪功率比 S i / N i F 输出端信噪功率比 S o / N o
噪声系数常用分贝表示，记为NF。对于增益为G的二端口网络
如果假定T为室温（290K），
带宽为1MHz，则
N i 10 log kTB
10 log 4 1012 m w 114dBm


实际系统（混频器、放大器）1dB压缩点
最小可检测信号（MDS）定义为比噪声功率高3dB的电平，故 MDS = –114dBm + 3dB = –111dBm 所以在室温及 1MHz 带宽条件下最小可检测信号（ MDS ）为 – 111dBm (9.7410–12mw)
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实际系统（混频器、放大器）1dB压缩点
动态范围定义为1dB压缩点（1dB compression point）和最小可检测信号 （Minimum Detectable Signal, MDS）之间的区域。既可用输入功率表示，也 可用输出功率表示。
最小可检测信号
匹配电阻负载的噪声电平为
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N i kTB
N kTA B
式中B是带宽，k = 1.3810–23 J/K，是波尔兹曼常数。TA是天线噪声温度。 大气噪声源于闪电等因素，在10KHz附近最强，频率超过20MHz一般可忽略。 银河噪声来自遥远的天体，其最大值在20MHz附近，到500MHz可忽略。 人工噪声源多种多样。任何电路断开与合上时，在电路上产生的瞬时脉冲都 是人工噪声源，从通信、广播、电视、雷达、系统以至输电线的电磁辐射被 天线接收后都可看作对有用信号的干扰。 接收机自身产生的噪声包括放大器、滤波器、混频器、检波器各级产生的噪 声。 接收机内部噪声限制了接收机检测的最小信号。信号强度必须大于噪声一定 强度才能被检测到。
噪声大小怎么表示─接收机噪声系数
Si Ni = kTB F G Nn So No
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噪声系数要只反映器件本身噪声性能，而与输入噪声无关，故 噪声系数的定义应基于标准噪声源Ni。
N i kTB
（W）
式中k是波尔兹曼常数，T = 290K（室温），B是带宽。因此噪 声系数F成为
No F GkTB
f1, f2 Mixer or receiver fIF1 fIF2 fIM1 fIM2
fLO
两信号输入时产生的新的频率分量
F2 1 3.162 1 F F1 2 3.06 dB G1 100 注意FF1，因为第一级放大器有较高增益。(需要换算为dB) !
噪声大小怎么表示─接收机噪声温度
等效噪声温度定义为
Te F 1To
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式中To = 290K，F以功率比表示，所以
Te F 1 To
信噪比
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接收机输出信号的质量可用信噪比（Signal-to-noise ratio, SNR） 表示
S 有用信号功率电平 N 无用的噪声功率电平
信号可检测，要求信噪比大于3dB。
（1.1）
对于移动电话，S/N要求大于15dB。对于固定电话要30dB，电视 要40dB，而对于高保真音乐则要60dB。 对于雷达系统，高的信噪比就相当于高的检测概率低的虚警概 率。如果信噪比达到 16dB，检测概率可达到 99.99% 而虚警概率 低于10–6。