第五章 雷达接收机(3)
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• 雷达接收机的噪声系数具体和哪些模块有关？
当接收机未考虑低噪声设计时
输入 混频器 前置中放 滤波 输出
噪声系数为：
FIF 1 FF 1 Fs FM GM GM GIF 其中， FM LM te LM为混频器的变频损耗，LM=1/GM te 为噪声温度比 进一步， FF 1 Fs LM te FIF 1 GIF
(F 1 N ) kT0 BnGa
F2 1 F0 F1 G1
F1，G1，Bn
F2，G2，Bn
Fm，Gm，Bn
Fm 1 F2 1 F3 1 F0 F1 G1 G1G2 G1G2 Gm1
重要结论：
为了使接收机的总的噪声系数小，要求各级的噪 声系数小，额定功率高 级数越靠前，对总的噪声系 声系数小，额定功率高．级数越靠前，对总的噪声系 数影响越大．这是使用高增益ＬＮＡ原因．
◆噪声系数概念与定义可推广到任何无源或有源四端网络：
RA
无 源 四端网络 Ga
RL
在接收机中，馈线、放电器、移相器等都是无源双口网络。都可以用上图来描 述。 由于这些器件本身也具有损耗电阻，因此也存在噪声系数。 如上图：从输入端向左看，是一无源二端网络，它输出的额定噪声功率为：
N i kT0 Bn
9. 自动频率控制
一、接收系统的噪声系数与灵敏度
●噪声系数 F ：
信号与噪声的功率比值S/N简称“信噪比”，决定检测能 力的是接收机输出端的信噪比S0/N0。 内部噪声对检测信号的影响用接收机输入端的信噪比Si/Ni 通过接收机后的相对变化来衡量。 “理想接收机” 其输出信噪比S0/N0与输入信噪比Si/Ni相 同。 实际接收机S0/N0＜Si/Ni，内部噪声越大，输出信噪比减少 得越多，则表明接收机性能越差。 用噪声系数和噪声温度来衡量接收机的噪声性能。
F = 1 / Ga : 由于无源四端网络额定功率传输系数Ga <=1 。 所以； F>=1
等效噪声温度(噪声温度) Te
接收机外部噪声可以用天线噪声温度TA来表示 来表示。 用功率来表示,则接收机外部噪声的额定功率为：
NA = kTABn 为了比较内部噪声与外部噪声的大小， 可将接收机内部噪声在输出端所呈现的额定 噪声功率△N等效到输入端，看成是天线电阻在 温度Te时产生的热噪声。
一般情况te≈1，GIF>>FF，此时 FS=LMFIF FS=10lgLM+10lgFIF 由上式可知，如果混频器的变频损耗为7dB，前置 中放的噪声系数为2dB，则接收机的噪声系数约为 9dB
接收机具有低噪声射频放大器时 输入 LNA 混频器
输出 中放滤波
FA=2dB GA=30dB
那么，
LM=8dB
噪声系数F物理意义：它表示由于接收机内部噪 噪声系数 物理意义：它表示由于接收机内部噪 声的影响，使接收机输出端的信噪比相对其输 入端的信噪比变差的倍数。 端的信噪 变 的倍数
噪声系数也可以表示为 噪声系数也可以表示为：
Ga : 接收机额定功率增益
Ga
Si Ni S N N0 N0 F i 0 So S N iS o N iG a Ni o No Si S 0 Si
接收机低噪声实现
增益与动态
为了比较不同接收机线性部分的噪声系数F0 和带宽Bn 对灵 敏度的影响，通常令M=1，这时接收机的灵敏度称为“临 界灵敏度”，其为 临界灵敏度
Si min kT0 Bn F0
雷达接收机的灵敏度以额定功率表示，并常以相对1mW 的分贝数计值，即 Simin(dBmW)=10lg
S i min (W ) (dBmW ) 3 10
当F0为6dB时,Bn 为2M时,灵敏度为 -105.4dBm
内容小结：
Si Ni 接收机噪声系数：F So No 接收机噪声温度：T e To ( F 1), To 290 K 传输线的噪声温度：T r To ( Lr 1) 接收机系统的级联噪声温度：F F
s
F n1 F 21 F 31 F1 G1 G1G2 G1G2 Gn
气象雷达原理与系统
电子工程学院 大气探测学院
雷达接收机（三） --雷达接收系统分析
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 接收系统的噪声系数与灵敏度 接收机的低噪声设计与分析 变频分析和交调抑制 接收机的大动态设计 滤波和接收机带宽 接收机的数字化技术 正交鉴相 灵敏度时间控制与自动增益控制
接收机内部噪声在输 出端的额定噪声功率
N i Ga kT0 BnGa
N0 N i Ga N N N F 1 1 N iGa N i Ga N i Ga kT0 BnGa
因此通常F>1，只有理想接收机，才有F=1。 ◆为使噪声系数具有单值确定性，规定输入噪声以天线等效电阻 为使 声系数具有单值确定性 规定输 声以 线等效电 RA在 室温T0=290K时产生的热噪声为标准，所以由上式可以看出，噪声系 数只由接收机本身参数确定 ◆噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路（检波器之前）； ◆噪声系数F通常用分贝表示 : F(dB)=10lgF (dB)；
高频低噪声放大器（LNA 高频低噪声放大器（ LNA） ）
几种实现方式：
1. 真空管高放和行波管高放（较少采用） 2. 隧道二极管放大器和参量放大器（稳定性差） 3. 晶体管高放和场效应管低噪声放大器（广泛被采用）
接收系统低噪声实现方法
1. 低噪声放大器应在满足系统动态范围要求的前提 下，其增益应尽可能高一些。 2. LNA前面电路的插入损耗应尽可能地减小。 • 选择良好的器件 • 器件放置位置也需要慎重考虑 3. 设计具有优良性能的A/D转换器，保证转换器本身 的等效噪声功率远小于接收机输出到A/D转换器输 入端的噪声。
T3 Tn T2 接收机系统的有效输入噪声温度：T e T1 G1 G1G2 G1G2 Gn
二、接收机的低噪声设计与分析
• 噪声成为限制接收机灵敏度的主要因素。因此， 接收机的低噪声设计就显得十分重要。 • 已知级联电路噪声系数表示为：
F2 1 F3 1 Fn 1 F0 F1 G1 G1G2 G1G2 Gn 1
接收机灵敏度
接收机的灵敏度 表示接收机接收微弱信号的能力。 接收机的灵敏度： 表示接收机接收微弱信号的能力 灵敏度用接收机输入端的最小可检测信号功率Simin i i 来
表示。 在噪声背景下检测目标，接收机输出端不仅要使信号 放大到足够的数值，更重要的是使其S0/N0达到所需 的数值 通常雷达终端检测信号的质量取决于信噪比 的数值。通常雷达终端检测信号的质量取决于信噪比。
kTeBn
理想无源 四端网络 Ga
△N
即
T e RA T A
△N = kTeBnGa
理 想 接收机 Ga
RL
N F 1 kT0 Bn Ga kTe BnGa 1 kT0 BnGa
F 1 Te T0
Te ( F 1)T0 ( F 1) 290 K
Te称为“等效噪声温度”或简称“噪声温度”， 此时接收机就变成没有内部噪声的“理想接收 机”。
Si min 10 lg(kT0 Bn F0 ) (dBW ) 10 lg(kT0 Bn F0 ) 30 (dBmW ) Si min (dBm dB ) 114dB 10 lg l Bn ( MHz MH ) 10 lg l F0
一般超外差接收机的灵敏度为—90~~~~--110dBmW
噪声系数 F
Si Ni
接 收 机
噪声系数的定义：
So No
接收机输入端信号噪 声功率比与输出端信号 噪声功率之比。
Si N i F So N o
N
i
kT 0 B n
Si : 输 输入信号额定功率， 信号额定功率 Ni : 输 输入噪声额定功率 噪声额定功率 So : 输出信号额定功率，No : 输出噪声额定功率
级联电路噪声系数
N i kTo Bn
F1，G1，Bn B
F2，G2，Bn B
N o N O12 N 2
NO NO F0 N i Ga kTo Bn G1G2
N O N O12 N 2
NO12 kTo BnG1G2 N2 ( F2 1)kTO BnG2
NiGa:是输入端噪声通过“理想接收机”的后，输出端呈现的额定噪声功率。
噪声系数：另一定义：实际接收机输出的额定噪声功率 N0与“理想接收机”输出的额定噪声功率NiGa之比。 之比 实际接收机输出的额定噪声功率N0由两部分组成：
N 0 N i Ga N
输入端噪声通过 理想接 输入端噪声通过“理想接 收机”的后，输出端呈现 的额定噪声功率。
识别系数
如何提高接收机灵敏度
①降低总噪声系数F0，通常采用高增益、低噪声高放； ②接收机中频放大器采用匹配滤波器，以便得到白噪 声背景下输出最大信号噪声比； ③识别系数M与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫 描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有 关系。在保证整机性能的前提下，尽量减小M的数值。
FIF=2dB GIF=20dB
Fs FA
FM 1 FIF 1 GA GM GA
线性化后代入
Fs
6 31 1 1.59 6.31 1 59 1 / 6.31 6 31 1.59 1.5945 1000
Fs 2.02 2 02dB FA
变小啦
经过网络传输后，在RL上得到的噪声功率为：
N i Ga kT0 BnGa
RA
无 源 四端网络 Ga
RL
从RL向左看，也是一无源二端网络，它输出的额定噪声功率为： 向左看 也是 无源二端网络 它输出的额定噪声功率为
N o kT0 Bn
由：
F
N源自文库 N iGa
得：
F
N0 1 N iGa Ga
接收机噪声系数F0为
Si N i F0 So N o
Si S0 F0 Ni N0
S0 S0 S i N i F0 kT0 Bn F0 N N 0 0
（S0/N0）min称为“识别系数”，并用M表 示
Si min
S0 kT0 Bn F0 N kT0 Bn F0 M 0 min
当接收机未考虑低噪声设计时
输入 混频器 前置中放 滤波 输出
噪声系数为：
FIF 1 FF 1 Fs FM GM GM GIF 其中， FM LM te LM为混频器的变频损耗，LM=1/GM te 为噪声温度比 进一步， FF 1 Fs LM te FIF 1 GIF
(F 1 N ) kT0 BnGa
F2 1 F0 F1 G1
F1，G1，Bn
F2，G2，Bn
Fm，Gm，Bn
Fm 1 F2 1 F3 1 F0 F1 G1 G1G2 G1G2 Gm1
重要结论：
为了使接收机的总的噪声系数小，要求各级的噪 声系数小，额定功率高 级数越靠前，对总的噪声系 声系数小，额定功率高．级数越靠前，对总的噪声系 数影响越大．这是使用高增益ＬＮＡ原因．
◆噪声系数概念与定义可推广到任何无源或有源四端网络：
RA
无 源 四端网络 Ga
RL
在接收机中，馈线、放电器、移相器等都是无源双口网络。都可以用上图来描 述。 由于这些器件本身也具有损耗电阻，因此也存在噪声系数。 如上图：从输入端向左看，是一无源二端网络，它输出的额定噪声功率为：
N i kT0 Bn
9. 自动频率控制
一、接收系统的噪声系数与灵敏度
●噪声系数 F ：
信号与噪声的功率比值S/N简称“信噪比”，决定检测能 力的是接收机输出端的信噪比S0/N0。 内部噪声对检测信号的影响用接收机输入端的信噪比Si/Ni 通过接收机后的相对变化来衡量。 “理想接收机” 其输出信噪比S0/N0与输入信噪比Si/Ni相 同。 实际接收机S0/N0＜Si/Ni，内部噪声越大，输出信噪比减少 得越多，则表明接收机性能越差。 用噪声系数和噪声温度来衡量接收机的噪声性能。
F = 1 / Ga : 由于无源四端网络额定功率传输系数Ga <=1 。 所以； F>=1
等效噪声温度(噪声温度) Te
接收机外部噪声可以用天线噪声温度TA来表示 来表示。 用功率来表示,则接收机外部噪声的额定功率为：
NA = kTABn 为了比较内部噪声与外部噪声的大小， 可将接收机内部噪声在输出端所呈现的额定 噪声功率△N等效到输入端，看成是天线电阻在 温度Te时产生的热噪声。
一般情况te≈1，GIF>>FF，此时 FS=LMFIF FS=10lgLM+10lgFIF 由上式可知，如果混频器的变频损耗为7dB，前置 中放的噪声系数为2dB，则接收机的噪声系数约为 9dB
接收机具有低噪声射频放大器时 输入 LNA 混频器
输出 中放滤波
FA=2dB GA=30dB
那么，
LM=8dB
噪声系数F物理意义：它表示由于接收机内部噪 噪声系数 物理意义：它表示由于接收机内部噪 声的影响，使接收机输出端的信噪比相对其输 入端的信噪比变差的倍数。 端的信噪 变 的倍数
噪声系数也可以表示为 噪声系数也可以表示为：
Ga : 接收机额定功率增益
Ga
Si Ni S N N0 N0 F i 0 So S N iS o N iG a Ni o No Si S 0 Si
接收机低噪声实现
增益与动态
为了比较不同接收机线性部分的噪声系数F0 和带宽Bn 对灵 敏度的影响，通常令M=1，这时接收机的灵敏度称为“临 界灵敏度”，其为 临界灵敏度
Si min kT0 Bn F0
雷达接收机的灵敏度以额定功率表示，并常以相对1mW 的分贝数计值，即 Simin(dBmW)=10lg
S i min (W ) (dBmW ) 3 10
当F0为6dB时,Bn 为2M时,灵敏度为 -105.4dBm
内容小结：
Si Ni 接收机噪声系数：F So No 接收机噪声温度：T e To ( F 1), To 290 K 传输线的噪声温度：T r To ( Lr 1) 接收机系统的级联噪声温度：F F
s
F n1 F 21 F 31 F1 G1 G1G2 G1G2 Gn
气象雷达原理与系统
电子工程学院 大气探测学院
雷达接收机（三） --雷达接收系统分析
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 接收系统的噪声系数与灵敏度 接收机的低噪声设计与分析 变频分析和交调抑制 接收机的大动态设计 滤波和接收机带宽 接收机的数字化技术 正交鉴相 灵敏度时间控制与自动增益控制
接收机内部噪声在输 出端的额定噪声功率
N i Ga kT0 BnGa
N0 N i Ga N N N F 1 1 N iGa N i Ga N i Ga kT0 BnGa
因此通常F>1，只有理想接收机，才有F=1。 ◆为使噪声系数具有单值确定性，规定输入噪声以天线等效电阻 为使 声系数具有单值确定性 规定输 声以 线等效电 RA在 室温T0=290K时产生的热噪声为标准，所以由上式可以看出，噪声系 数只由接收机本身参数确定 ◆噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路（检波器之前）； ◆噪声系数F通常用分贝表示 : F(dB)=10lgF (dB)；
高频低噪声放大器（LNA 高频低噪声放大器（ LNA） ）
几种实现方式：
1. 真空管高放和行波管高放（较少采用） 2. 隧道二极管放大器和参量放大器（稳定性差） 3. 晶体管高放和场效应管低噪声放大器（广泛被采用）
接收系统低噪声实现方法
1. 低噪声放大器应在满足系统动态范围要求的前提 下，其增益应尽可能高一些。 2. LNA前面电路的插入损耗应尽可能地减小。 • 选择良好的器件 • 器件放置位置也需要慎重考虑 3. 设计具有优良性能的A/D转换器，保证转换器本身 的等效噪声功率远小于接收机输出到A/D转换器输 入端的噪声。
T3 Tn T2 接收机系统的有效输入噪声温度：T e T1 G1 G1G2 G1G2 Gn
二、接收机的低噪声设计与分析
• 噪声成为限制接收机灵敏度的主要因素。因此， 接收机的低噪声设计就显得十分重要。 • 已知级联电路噪声系数表示为：
F2 1 F3 1 Fn 1 F0 F1 G1 G1G2 G1G2 Gn 1
接收机灵敏度
接收机的灵敏度 表示接收机接收微弱信号的能力。 接收机的灵敏度： 表示接收机接收微弱信号的能力 灵敏度用接收机输入端的最小可检测信号功率Simin i i 来
表示。 在噪声背景下检测目标，接收机输出端不仅要使信号 放大到足够的数值，更重要的是使其S0/N0达到所需 的数值 通常雷达终端检测信号的质量取决于信噪比 的数值。通常雷达终端检测信号的质量取决于信噪比。
kTeBn
理想无源 四端网络 Ga
△N
即
T e RA T A
△N = kTeBnGa
理 想 接收机 Ga
RL
N F 1 kT0 Bn Ga kTe BnGa 1 kT0 BnGa
F 1 Te T0
Te ( F 1)T0 ( F 1) 290 K
Te称为“等效噪声温度”或简称“噪声温度”， 此时接收机就变成没有内部噪声的“理想接收 机”。
Si min 10 lg(kT0 Bn F0 ) (dBW ) 10 lg(kT0 Bn F0 ) 30 (dBmW ) Si min (dBm dB ) 114dB 10 lg l Bn ( MHz MH ) 10 lg l F0
一般超外差接收机的灵敏度为—90~~~~--110dBmW
噪声系数 F
Si Ni
接 收 机
噪声系数的定义：
So No
接收机输入端信号噪 声功率比与输出端信号 噪声功率之比。
Si N i F So N o
N
i
kT 0 B n
Si : 输 输入信号额定功率， 信号额定功率 Ni : 输 输入噪声额定功率 噪声额定功率 So : 输出信号额定功率，No : 输出噪声额定功率
级联电路噪声系数
N i kTo Bn
F1，G1，Bn B
F2，G2，Bn B
N o N O12 N 2
NO NO F0 N i Ga kTo Bn G1G2
N O N O12 N 2
NO12 kTo BnG1G2 N2 ( F2 1)kTO BnG2
NiGa:是输入端噪声通过“理想接收机”的后，输出端呈现的额定噪声功率。
噪声系数：另一定义：实际接收机输出的额定噪声功率 N0与“理想接收机”输出的额定噪声功率NiGa之比。 之比 实际接收机输出的额定噪声功率N0由两部分组成：
N 0 N i Ga N
输入端噪声通过 理想接 输入端噪声通过“理想接 收机”的后，输出端呈现 的额定噪声功率。
识别系数
如何提高接收机灵敏度
①降低总噪声系数F0，通常采用高增益、低噪声高放； ②接收机中频放大器采用匹配滤波器，以便得到白噪 声背景下输出最大信号噪声比； ③识别系数M与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫 描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有 关系。在保证整机性能的前提下，尽量减小M的数值。
FIF=2dB GIF=20dB
Fs FA
FM 1 FIF 1 GA GM GA
线性化后代入
Fs
6 31 1 1.59 6.31 1 59 1 / 6.31 6 31 1.59 1.5945 1000
Fs 2.02 2 02dB FA
变小啦
经过网络传输后，在RL上得到的噪声功率为：
N i Ga kT0 BnGa
RA
无 源 四端网络 Ga
RL
从RL向左看，也是一无源二端网络，它输出的额定噪声功率为： 向左看 也是 无源二端网络 它输出的额定噪声功率为
N o kT0 Bn
由：
F
N源自文库 N iGa
得：
F
N0 1 N iGa Ga
接收机噪声系数F0为
Si N i F0 So N o
Si S0 F0 Ni N0
S0 S0 S i N i F0 kT0 Bn F0 N N 0 0
（S0/N0）min称为“识别系数”，并用M表 示
Si min
S0 kT0 Bn F0 N kT0 Bn F0 M 0 min