第四章 微波收发技术(现代接收技术及其集成)

级联后的噪声系数：
F 2 1 F 3 1 F F1 G1 G1 G 2 N f 10lg F
接收机噪声系数的设计
F1 2dB(1.58) G1 10dB(10) F1 2dB(1.58) G1 20dB(100) F2 10dB(10) G1 20dB(100) F2 10dB(10) G1 20dB(100)
Phase Jitter =
S(f)
A
相位噪声和寄生调频的关系
S()
rad Hz
2
Residual FM =
A
B
Total rms frequency deviation within a specified bandwidth
B
Residual FM =
A
f S(f)df =
2
B
S(f)df
A
[Hz]
相位噪声对通信系统的影响
Amplitude Noise
Phase Noise
频率稳定度
频率稳定度：在一定时间范围内 t 频率准确度变化
频率源的实 际输出频率 fx-f0 max f0 频率源的 标称值
频率稳定度类型
• 长期频率稳定度 • 短期频率稳定度 • 瞬时频率稳定度 t>1天 t<1天 t<1S 取决于电源元件 取决于温度变化、 由振荡器的内部噪 和有源器件的老 电压变化和电路 声导致的频率起伏 化特性。 参数的不稳定。
100 ft (0.7db/100ft) Antenna gain 2dB each 200 ft (0.7db/100ft)
5 miles
(117dB loss)
Transmit
Receive
37dBm – 0.7dB + 2dB – 117dB +2dB – 1.4dB = –78.1dBm
微波工程常用单位和表示方法
发射频率
无线电委员会的规划 通信容量大小 通信距离、大气吸收、雨衰 设备复杂度、成本
频率准确度
频率准确度：实际频率和标称值的差比标称值。
频率源的实 际输出频率
=
fx-f0 f0 频率源的 标称值
发射功率
链路预算（通信距离、频率、接收机灵敏度，收发天线）
衰落储备
功放效率和系统功耗要求
接收机的基本结构
AGC 控制
I
/2
Q
AGC 控制
接收机的主要技术指标
• • • • • • • • • 噪声系数 接收机灵敏度 接收机增益和动态范围 接收机带宽 接收机选择性（幅频特性） I/Q正交特性（幅度、相位一致性） 相位噪声 杂散和谐波抑制度 频率准确度、稳定度
接收机噪声系数——噪声来源
上变频寄生信号图
SKA2（ 2/20GHz）上变频混频杂波分析 20.5
RF 输出频率（ GHz ）
20
19.5
19 1.5
2 IF输入频率（ GHz）
2.5
3
本振频率源
频率源的主要技术指标
• • • • • • • • • 频率稳定度 频率准确度 杂散电平 谐波电平 调制线性 频率牵引系数 推频系数 漂移系数 输出功率稳定度
真实CW 信号
V (t) = [A o+ E(t)] sin [2 f o t + (t)]
E(t)
V (t) V (t) 4 2 4 4 2 4
(t)
相位噪声指标的定义
1Hz带宽
f0 理想频谱
f
f0- fm
f0 f0+ fm
f
实际频谱
相位噪声和相位抖动的关系
•E面鳍波导滤波器
滤波器——技术指标
滤波器的形式：低通、高通、带通、带阻 响应形式：切比雪夫、巴特沃斯、椭圆函数、高斯函数 滤波器的类型
中心频率、截止频率
插入损耗 带内波纹
带宽
阻带抑制 滤波器的阶数 功率容量
功率放大器
功率放大器的主要技术指标
• • • • 输出功率 效率 三阶互调失真增益 寄生输出
• 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 它信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 • 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。
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
功率输入（dBm）
相位噪声——来源
理想CW 信号
V(t) = A osin 2 f ot
Where A o = nominal amplitude f o = nominal frequency
Where E(t) = random amplitude fluctuations (t) = random phase fluctuations
AGC
A D C
NCO π/2
FLL/ PLL 切换
FLL PLL
接 口 转 换
数据及时钟输出
带通滤波
位同步
匹配滤波 模数转换单元 数字解调单元
接收机数字化——硬件平台
射频单 元
中频输入/输出
ADC DAC 模块
FPGA
DSP 接口模块
数据输入/输出
ARM
图
信道模块信号处理单元的硬件组成
1 f n f n i 1 0 n为测量次数
n
f f i 0
2
f f 0 f f 0
为第i次所测的频率稳定度 i 为n个测量数据的平均值
阿仑方差
• 阿仑方差定义为
每次测 量的取 样时间
y ( ) lim
n
1 1 2 n 2 f 0
( f
i 1
n
2i
f1i )
2

标称 频率 第 2i 次 测量的 频率值 第1i次测 量的频率 值
测量方法：取样时间，测定 时的平均频率f1i，然后无间隙 地测量另一个取样时间的平 均频率f2i，将(f1i ,f2i)作为第 i组数据，共取n组。
To Antenna PLL#1 Micro Controller
DC/DC CONVERTER
8 V LIN REG
PLL#3
From
IDU
发信机的射频主要技术指标
• • • • • • • • 发射频率 发射频率准确度、稳定度 发射功率 发射机带宽 发射机幅频特性 杂散抑制度、谐波抑制度 非线性指标（ 1dB压缩点、三阶交调） 相位噪声
正交解调器
自动增益放大器
可变 衰减器 可变 衰减器
检波器
模拟AGC放大器
可变 衰减器 可变 衰减器 A/D 基带 处理器
D/A
数控AGC放大器
现代接收机设计
• 现代接收机类型和特点 • 接收机数字化技术 • HMIC和MMIC在接收机中的应用
超外差接收机
AGC 控制
直接变频式接收机
I 射频输入 900 移相
频率源的主要实现方式
• 介质稳频振荡器 • 倍频链式频率源 • 锁相频率源 –PLL频率源 –DDS频率源 –PLL+DDS频率源
滤波器——类型
•LC滤波器 •陶瓷滤波器 •微带滤波器 —平行耦合线滤波器 —交指滤波器 •SAW滤波器
•介质滤波器 •腔体滤波器 —梳妆线滤波器
—交指滤波器
—同轴腔滤波器
Q
零中频
软件无线电基本结构和原理
射频输入 A/D 数字下变频 解调 解交织、信道编码 Data Out
图a
射频输入 A/D 数字下变频 解调 解交织、信道编码 Data Out
图b
射频输入 A/D 数字下变频 解调 解交织、信道编码 Data Out
图c
接收机数字化技术Leabharlann Baidu
匹配滤波
位同步
中 频 输 入
微波通信技术
第四章 微波收发技术 上/变频技术
本章主要内容
• • • • • • • 微波工程常用单位和表示方法 微波收发系统的组成和技术指标 上/下变频技术 系统的非线性和补偿措施 系统的噪声和灵敏度 微波收发系统中的频率源技术 现代接收机设计技术
微波工程常用单位和表示方法
• dB • dBm、dBW • dBc
发射机带宽
图示为码速率为10Mbps的QPSK调制频谱频谱
发射机幅频特性
杂散抑制度
谐波抑制度
非线性参数
30
三阶截点
20
饱和输出功率
功率输出（dBm）
10
1dB压缩 线性增益 （斜率=1dB/dB）
0
三阶互调 （斜率=3dB/dB） 二阶互调 （斜率=2dB/dB）
-10
-20 -30 -40
噪声系数的定义
S in N in F S out N out N out N inGa
输入端信噪比
输出端信噪比
N out kT0 BnGa
NF (dB) 10lg F
级联系统的噪声系数
F1,G1 F2,G2 F3,G3
其中，F1，F2，F3为各级噪声系数，G1，G2，G3为各级增益
F0 3.94dB(2.48)
F0 2.04dB(1.67)
• 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
接收机主要组成部件
• • • • 低噪声放大器 下变频器 正交解调器 自动增益放大器
低噪声放大器
下变频器
主要技术指标： RF工作频率 LO工作频率 IF工作频率 变频损耗 LO/RF隔离 LO/IF隔离 RF/IF隔离 三阶交调截止点 P1dB(Input) IP3(Input)
阿仑稳定度：
s(t)=y(t)/f0
发射机主要组成部件
• • • • • • 正交调制器 上变频器 本振频率源 功率放大器 滤波器、双工器 微波开关
正交调制器
I :
/2
载波
Q
I
Q :
上变频器
主要技术指标： RF工作频率 LO工作频率 IF工作频率 变频损耗 LO/RF隔离 LO/IF隔离 RF/IF隔离 三阶交调系数IM3 P1dB(Input) IP3(Input) 常用的上变频器： • 变容管上变频器 －功率容量大 －变频损耗小 －有一定的功率增益 • 晶体管上变频器 －变频增益小 －本振功率小 • 肖特基二极管 －功率容量小 －变频损耗较大
S()
rad Hz
2
Phase Jitter =
B
A
B
Total rms phase deviation within a specified bandwidth
Phase Jitter =
S(f)
A 360 2 B
[rad]
Relative to 1 radrms [degrees]
= [dB]
放大器
滤波器
混频器
隔离器 频率源
微波收发系统的组成
本振CW信号 本振CW信号
数字基带信号
数字I/Q调制信号
模拟I/Q调制信号
中频调制信号
射频调制信号
微波调制信号
微波收发系统的组成
• 频分系统 • 时分系统
频分系统的射频框图
VGA 50dB Dynamic Range
To IDU
RSSI REF PLL#3