电子系统RF与天线PPT电子课件教案-第二章信道机.ppt

第二章 信道机,引言：,信道机传统上的定义为“信源”到“信宿”之间的电子设备，随着电子技术尤其是数字处理技术的发展，又进一步分为了调制信道机和编码信道机，它们之间的关系如下：,信道机是任何一个通信系统所必不可少的组成部分，它直接影响到系统的总特性，因此对信道机特性的研究是对通信系统研究的基础。,引言,到目前为止，由于调制/解调器(modem)基本上都可以利用数字电路完成，因此，本课程将主要讨论调制信道机。,2.1 信道机的主要功能,一、微弱信号的低噪声放大,因为微弱信号易受噪声干扰，所以对微弱信号进行低噪声放大是信道机中需要完成的基本重要工作。,调制器输出信号通常较小需要放大,天线接收输入信号通常很小（可小到v量级） 更需要放大,变频器输出信号通常较小需要放大,一、微弱信号的低噪声放大,对小信号进行放大的过程中需要特别加以关注的是如何做到低附加 （新引入 ！）噪声，这对于接收前端而言即意味着接收灵敏度的大小。,如前面我们介绍过的，对任何电路都有nf0，而我们要做的是如何使nf尽可能的小（尽可能接近于0）。,二、实现信号的频谱搬移,对发信机而言，调制器的输出信号的频率一般较低（便于调制器集成化），可能与实际通信所用的频率不同，因此需要将信号频谱搬移到实际信道。,对收信机而言，天空中充满着各种各样频率的无线电信号，而我们需要将有用信号接收下来，并作相应的频谱搬移以供解调器（工作频率通常也较低）解调出基带信号。,二、实现信号的频谱搬移,频谱搬移既是在通信系统中我们主动要做的工作之一,也是实际电路中不自觉（不需要时）也会发生的现象之一！,而这种不自觉中发生的现象往往是十分有害的！,二、实现信号的频谱搬移,做方案设计时应尽可能避免后者的影响！,产生上有害现象的原因既有电路特性上我们需要的非线性（如混频器）,更需小心提防的是-我们不需要的非线性（如放大器发生饱和现象）,二、实现信号的频谱搬移,例：某测试信号发生器要求产生四路（1.2ghz, 3.2ghz, 5.7ghz, 9.1ghz）的1khz窄脉冲调制（1s脉宽）信号，要求同一端口输出，每路功率均大于10dbm，非谐波杂散小于-60dbc 。,设计指导思想：分别用四个锁相环产生所需要的四个频率点，再经放大滤波，功率合成，调制输出。尽量用集成电路。,第一次实现原理方框图如下：,频谱搬移例,频谱搬移例（改进方案）,二、实现信号的频谱搬移,上例告诉我们，在作实际电路设计时，必须注意：线性是相对的，非线性是绝对的！,现代通信系统中，无论是收还是发的频谱搬移，大都采用固定中频处理方式。,有采用一个中频的，也有采用两个中频的，这往往与实际的通信频段有关（主要取决于相对覆盖和系统灵敏度要求）。,二、实现信号的频谱搬移,对于发端，因发射信号功率较大，在将调制信号（频率）变换至通信频道的过程中，除了不能在信号带宽之内产生新的寄生分量之外，也不能产生足以对其他频段或信道产生干扰影响的寄生分量。,对于收端，在将实际电波频率搬移到中频的过程中需要特别注意的是不能在信号的带宽内产生新的寄生分量。,二、实现信号的频谱搬移,在作频谱搬移设计和作信号产生电路设计时，我们必须牢记：,对频谱起肃净作用的射频滤波器也主要应用于系统的频谱搬移部分。,产生所需要的频率成分相对容易,这是本门课程的重点内容之一。,而抑制不需要的频率成分很难！,三、输出足够大的功率,这个要求主要难在它有两方面的要求。,1.对射频信号应做足够的（线性）功率放大。它包含两层要求：,a、放大量（功率增益）和输出功率应该足够大，尤其是后者。,b、信号通带内的放大应是线性的（有时如此）。,三、输出足够大的功率,如果说用分立元件完成的电路在现代通信系统中愈来愈少的话，那么这一部分现在基本上都是用分立元件（或管芯）设计完成的。,2.功率放大器应与天线相匹配，且天线要有足够大的转换效率以尽量将功率发射到空间中去。,四、对载波进行各种调制与解调,这是为了通信的需要而进行的，目前这部分的数字化或集成化程度愈来愈高，但仍有不少方式的调制/解调需要用模拟分立元件电路来完成，或者需要模拟电路的配合才能完成。,需要指出的是： 到目前为止，实际通信系统的调制/解调基本上都是在较低的频率上（基于数字电路）完成的。,2.2 信道机的主要电参数,1.工作频率范围主要指发射电波频率范围 。,2.信道间隔取决于基带信号的带宽，一般情况应大于它。,3.中频带宽通信实际能传输的信号的信息带宽往往取决于系统的中频带宽，它也决定了系统能传输的最大信息容量（香农公式）。,2.2 信道机的主要电参数,4.系统增益，g系统对（微弱）信号的放大能力因为实际系统通常由多级子系统级联而成,系统增益的绝对值对实际通信系统来讲意义通常不大！,因为实际系统中往往有agc电路，所以我们通常更关心最前面12级的增益和最后一级的输出功率（或幅度）。,2.2 信道机的主要电参数,5.噪声系数f,nf 在第一章我们已经给出了f,nf的定义（单级电路），在多级级联的情况下我们还需考虑到每级电路的增益的影响。 n个带噪电路级联后，总的噪声因数,上式中：f1,f2,fn为各级的噪声因数 g1,g2,gn-1为各级功率增益,例：如下三级级联电路,我们来计算总的噪声系数,先做转换,例：三级级联电路,由上例可以看到，系统总的噪声系数主要取决于级联电路的前级，当前级的增益愈高，则后级的影响愈小。因此，低噪声的关键在于最前面一级的设计。,2.2 信道机的主要电参数,6.接收灵敏度,灵敏度是表征接收机检测出被接收信号能力的指标。灵敏度的定义有许多，主要取决于应用场合。,如：虚警率雷达,误比特率数据传送,检测概率测量、雷达,输出信噪比通信 等等,6.接收灵敏度,对无线通信系统，比较多地采用下定义:,上式中：s -灵敏度 单位dbm (噪底) -174dbm-室温条件每赫带宽的热噪声功率。 bw1 -中频带宽，单位赫兹。 ksn -是检波信号要求的(s+n)/n，单位db km-调制方式对应的修正系数，单位db,6.接收灵敏度,从上公式可以看到，该定义实质上就是通信系统的噪声本底，只要信号大于它，就能接收到。减小nf和中频带宽可以提高系统灵敏度。,另一种工程上常用的接收机灵敏度定义是通过测量接收机输入信号电压幅值来确定的。这个幅值定义为产生比接受机噪声本底值大要求数值的解调输出所必需的输入信号电压幅值ea(v),6.接收灵敏度,例如 :灵敏度1uv（信噪比为10db）的收音机。说明天线上收到1uv信号时，人们将听到高出内部噪声10db的输出信号。,接收机噪声系数nf与ea的关系,设天线和接收机输入阻抗匹配，等效阻抗为ra，则接收机输入端的信号功率和噪声功率分别为:,6.接收灵敏度,上式中：k 波尔兹曼常数,1.38 x 10-23 j/k t 天线有效温度 常温=290k bn 接收机噪声带宽，一般可用bw1代替。,于是输入信噪比为:,设输出信噪比要求为d,则系统噪声因数为：,6.接收灵敏度,从而,取,若bn的单位为khz,6.接收灵敏度,由上公式我们既可以由接受机的噪声系数nf算出接受机的灵敏度，也可由灵敏度ea的要求算出对接受机噪声系数的设计要求。,由公式我们还可以看到，接受机灵敏度ea，输出信噪比要求d，系统等效带宽bn，噪声因素f相互制约。要想提高接收灵敏度必须采取强有力的降低噪声系数的措施。例如大量采用低噪器件与电路。,6.接收灵敏度,事实上，这里的灵敏度分析还仅考虑了接收机的内部噪声，天空中还存在如天电、工业干扰等其他电信号的干扰，灵敏度愈高，上述外部干扰的影响也势必愈大（愈容易收到干扰信号）。,另外，灵敏度愈高，增益要求愈高，内部噪声的影响也愈大。,6.接收灵敏度,例 设内部噪声折算到接收机输入端为0.1v，若检波要求输出信号电压为1v。,输出信噪比为,当系统增益为107时 vimin=0.1 v,输出信噪比为,当系统增益为106时，最小能检波的输入信号电平为vimin=1 v，此时,2.2 信道机的主要电参数,例 短波ssb接收机典型值 nf=710db bw1=3khz ra=50 ea=1.11.6uv,由此可见系统增益并非愈高愈好！,7.发射机的输出（线性）功率,指发射机对射频信号放大后所能达到的最大功率。,对于非恒包络调制的通信系统，一般指最大线性输出功率，超过这一功率将产生影响通信的非线性失真。,对于恒包络调制的通信系统，上述要求有所放松！,8其他,（1）互调失真 其他频道电台信号等引起的接收失真。主要取决于接收机输入选频电路以及中频选取等。,（2）输出杂散 指发信机输出的除有用信号之外的固定信号，它会干扰其他通信系统的正常工作。这里主要指谐波与非谐波杂散。,8其他,各重通信体制和频段对杂散均有具体的要求，可参阅相关资料。,例如 二级ssb电台 频偏 3-100khz 100khz -70dbc,2.3 信道机的系统结构,2.3.1 接收机的构成,对于信道机来讲，接收和发送的系统结构是有所不同的。因此我们下面将分开介绍。,一、构成与功能,2.3.1 接收机的构成,接收机的目标是尽可能大的接收有用信号，抑制干扰信号，进行足以解调的放大，以及可能要求的基带信号放大。,1因此，在天线的输出端必须紧接一预选滤波器，传统的预选滤波器为采用波段切换开关的lc滤波器，为了更好的抑制由天线进入的带外干扰和噪声，后来大都采用电子开关切换的半倍频程带宽的贝塞尔函数带通滤波器。,一、构成与功能,例如：短波通信频段（2-30mhz）通常就被分为8个段。 2-3mhz 3-4mhz 4-6mhz 6-8mhz 8-12mhz 12-16mhz 16-24mhz 24-30mhz,就滤波器的具体实现，现在已从早期的lrc网络发展到了今天普遍采用的陶瓷滤波器和声表面滤波器（saw）,一、构成与功能,采用陶瓷滤波器或saw时，短波频段已实现只须划分为2-3段（因为滤波器的矩形系数好！）,900mhz频段的gsm移动通信设备的预选滤波器只需一片saw（相对覆盖小）。,射频(rf)滤波器的波段划分的主要依据就是信号频率变化的相对覆盖！,一、构成与功能,2、前置高放-前置低噪声射频(rf)放大器(lna) 这是接收机中技术要求最高的放大器。, 足够的工作带宽： 短波通信机要求2-30mhz以上。 900mhz频段要求1ghz以上。, 足够大的动态范围： 短波ssb电台 60db,一、构成与功能, 尽可能低的噪声系数： 一般lna的噪声系数要求 nf3db, 增益不能太大： 保证线性，减小互调失真。 一般 g 10db,因为lna增益要求不高，随着高增益有源混频（器件）技术的发展，lna有被省去的趋势。,一、构成与功能,目前lna有大量的集成（芯片）电路可供系统设计师选择。,例如：用于900mhz频段的gsm lna gc87（motorola生产） 用于1.9ghz频段的max2422等,3混频器 混频器的主要功能是作频谱搬移，它属于非线性器件。它的特性我们后面再介绍。,一、构成与功能,4中频滤波器 ipf 主要选用矩形系数较好的滤波器（目标是滤除信号带宽之外的干扰，提高信噪比），以前多为晶体滤波器，现在较多采用陶瓷滤波器和saw。,5中频放大器 ifa 主要功能是为接收机提供足够的增益。,6解调 解调出基带信号,7低放 主要针对音频基带信号,二改进与发展趋势,1、自动增益控制（agc）电路的应用,大动态范围应用所必需！,二改进与发展趋势,2自动频率控制（afc）电路的应用,主要目的是尽可能的减小中频带宽。现在更多为琐相环(pll)所取代！,二改进与发展趋势,3集成化 变频中放+解调,二改进与发展趋势,4采用二级中频 提高接收灵敏度，减少互调失真,二改进与发展趋势,5零中频接收机,二改进与发展趋势,6宽带中频接收机,二改进与发展趋势,7数字中频接收机,是为所谓“软件无线电”,2.3.2发信机的构成,一、构成与功能 1.传统结构,射频直接调制发射系统,难以实现复杂调制,一、构成与功能,2.改进型结构,间接调制发射系统,上述系统与收信机的主要区别在于功放、天线匹配的网络,一、构成与功能,3.数字通信发射系统,数字通信发射系统,二特点,从上述系统框图我们可以看到，就功能而言，发射系统与接收系统的相比，主要新增功能电路只有射频功率放大器和匹配网络。,1射频功率放大器,射频功率放大器是对输出功率、激励电平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等问题作综合设计的电子电路，其核心是功率晶体管。,功率晶体管的主要要求,对功率晶体管的主要要求有：,工作频率,击穿电压,最大（集电极）电流,最大管耗。,为了输出大功率，往往由2-4级的功率放大器组成射频功率放大器。,二功放特点,射频功率放大器各级的工作状态通常不同：末级输出即为系统输出功率： 末级之前的一般称为激励级，负责提供足够高的激励电平。,射频功率放大器的工作状态划分与低频功率放大器相同，主要依据导通角以及是否工作于开关工作状态。具体大致可分为5类：,二特点,a（甲）类：=1800 为线性放大器，可适用于任何种类的信号，但功率转换效率最低！,b（乙） 类：=/2（900） 也是线性放大器，通常以推挽对管方式工作。可适用于任何种类的信号，功率转换效率比a类稍高。 实际上为克服交越失真，更多工作于ab类（ /2),二功放特点,c（丙）类： /2 因此类功放需后接滤波器进行选频，故仅适用于窄带信号（便于滤波），一般应为恒包络调制信号，效率与导通角成反比。,d（丁）类： 开关型 双管工作于开关工作状态，对信号电流与电压实行错峰以提高效率！恒包络调制信号，效率较高。,二功放特点,e（戊）类： 开关型，单管开关放大器 较少投入实用,综上所述，实际系统中可采用何种工作状态的射频功率放大器，与信号的调制方式有关。,如，am信号，最好用线性（a类）功放 fm信号，可以用非线性功放 不怕幅度失真。,ssb信号应采用何种功放？,二功放特点,另外，当一个功效放大器不能满足所需功率输出时，可利用功率合成技术将多个功率放大器的输出合成在一起以得到满足要求的功率输出。,vhf以下频段的功率合成通常是利用基于传输线变压器的魔t网络来实现的。,微波毫米波频段的功率合成通常是利用平衡电桥来实现的。,后面将做进一步介绍。,二匹配网络,2匹配网络,损耗要小，即匹配网络传输效率要尽可能高。,主要要求：,实现将负载阻抗变换为功效管所要求的匹配负载阻抗，保证功率输出。,更滤除不需要的谐波分量，使负载获得所需频率上尽可能大的功率。,二匹配网络,因此，结合上述要求， rfpa后接的匹配网络通常采用滤波器形式。故除了具有阻抗匹配功能之外，也有一定的选频作用。,后面将做进一步介绍。,2.3.3 信道机设计实例,进入20世纪90年代以来，无限局域网（wlan）以其便携性、可移动性、建网迅速而得到愈来愈多的重视。,下面介绍一种符合ieee802.11协议，基于直扩技术的wlan微波射频信道机方案。,1997年ieee推出了相应的wlan标准，即ieee802.11协议。后来又推出了ieee 802.15等协议。,一、总体指标要求,1数据率： 1mbps dbpsk 差分二进相移键控 2mbps dqpsk 差分四相（正交）相移键控 2射频范围：2412-2484mhz 4中频带宽：22mhz 5误码率：10-5 6处理增益：g10db 7接受灵敏度：-90dbm 8工作方式：半双工 hdx,二接收指标,1灵敏度： -93dbm 1mbps -90dbm 2mbps 2三阶交调：-17dbm 3镜像抑制：65db 4中频抑制：80db 5邻道抑制：35db 6输出信噪比：0db,三发射指标,1输出功率： +10dbm 2增益： 25db （中频） 3evm： 35% （失真度）,四、信道机设计框图,2.4ghz wlan信道机框图,四、信道机设计框图,工作过程：,1.接收时：信号先经过二极点介质rfp以滤除带外噪声，并提供初步镜像抑制，然后由lna作20db放大，bfp1进一步抑制镜像与杂波，通过混频器与本振lo1混频得到中频280mhz，saw bfp2滤出中频信号。抑制邻道与杂波干扰，中放为两级级联限幅放大器，增益84db，放大器输出信噪比0db。然后作正交调解。,四、信道机设计框图,2.发射时：加扩i/q信号以11mhz速率送入，先经lfp整形（抑制旁瓣），然后作正交调制，i/q合成后由saw bfp3、 bfp4滤除杂波，上变频（与lo2）至2440mhz，bfp3选出射频信号并抑制混频载漏，然后进行功率放大（20db），最后经天线发射。,思考题四,有一种较新的收/发系统方案，以收信机为例，其方框图如下图所示。它可以单本振完成二次变频，从而在兼具二次变频系统优点的同时又降低了变频本振的实现难度。试分析新方案中对本振、一中频滤波器要求的变化，以及n的选取原则？,2.4 信道机噪声分析,这里所指的噪声为电噪声，它定义为落入信号通带中的任何不需要的电能。,对信道机而言，噪声的分类方法主要有两种：,一种是将噪声分为外部噪声和内部噪声。 另一种是将噪声分为相关噪声和不（非）相关噪声。,2.4 信道机噪声分析,而相关噪声对系统的影响则与系统乃至电路的设计有很大的关系。这是我们要注重加以讨论的问题。,一般说来，外部噪声与非相关噪声的大小，设计者不易控制，大致只能采取躲避（变换频道）和提高信号强度两种方法。,2.4.1 非相关噪声,总的来说，非相关噪声大致可以认为是“加性”噪声。非相关噪声的来源有很多：,1.大气噪声 主要为大气中静电变化引起，呈现宽频带特性，30mhz以上通信可以不考虑之。,2.宇宙噪声 太阳黑子活动 大约11年一次爆发 外星系影响 不规则,2.4.1 非相关噪声,3.人为噪声 -人类活动引起的干扰。如工业机器干扰，其他电台干扰。这是在系统设计时要加以注意的噪声源。,4.器件噪声（以晶体管为主） 散粒噪声 渡越（时间）噪声 与信号共振时会显著增大 热噪声 布朗运动,2.4.1 非相关噪声,一般情况设计时主要考虑热噪声的影响,热噪声功率（j.b.johnson 证明）： n=ktb,噪声电压：考虑最坏情况和最大噪声功率传送。,2.4.1 非相关噪声,由上可见，ri越大，其热噪声输出电压也越大！这是rf （端口）阻抗一般要求50匹配的原因之一。,对电路或部件的噪声特性更多用下前面介绍过的参数来描述： 噪声系数：f，nf,还有一种描述参数：等效噪声温度te 这是一个不能直接测量的假设值。它类似于噪声系数。,2.4.1 非相关噪声,等效噪声温度te主要用于低噪声、复杂度很高的vhf、uhf频段微波与卫星接收机中作为一个灵敏度指标。,定义：te =t（f-1） 由上定义可见te 愈低，表明接收机质量愈好。,nf=1db te =75k （t=290k 室温）,nf=1.1db te =83.6k （t=290k ）,通信接收机典型值范围：20k-1000k,2.4.2 相关噪声,定义：与信号相关（互相关）的噪声。 亦即没有输入信号时就不会有的噪声。,相关噪声的主要来源有两种可能：,一种是因电路非线性而产生的谐波失真和互调失真,另一种是电磁兼容性设计不当而导致的电磁干扰（emi）。,一、非线性相关噪声,非线性在信道机设计中既有主动的，也有被动的。两者在设计中都需要加以仔细的考虑。,1.被动情况,通常,这种情况的发生原因主要就是信号幅度超过了电路的线性范围而处于非线性工作状态。,要想信噪比大或本级（本地）噪声的影响小，就希望信号越大越好!,一、非线性相关噪声,然而信号太大又可能导致非线性失真! 因此，实际设计中应小心谨慎。,在实际工程系统中,这种情况的一个行之有效的解决方案就是引入agc电路以控制大动态输入信号的幅度。,2.主动情况,在信道机中更多的情况是需要采用非线性器件或作非线性处理。例如:,有些什么处理是非线性？,一、非线性相关噪声,混频器,限幅器,整形器,采样器,信号经过非线性器件处理后会产生非常丰富的频率成分!,因此，在该器件（电路）的前面或后面常需要作滤波处理，而rf滤波器也主要用在这些地方。,一、非线性相关噪声,3、谐波失真-这是很常见的失真,定义：信号经非线性放大（混频）后产生的不需要的信号谐波，一般用谐波失真比描述：,（总的谐波失真百分比）,其中：v0= 基波有效电压,各次谐波有效电压的平方和开方。,一、非线性相关噪声,4.镜像干扰,对于混频（器）而言，镜像信号干扰是一定存在的。设：,这里的fim 即称为输入信号frf 的镜像干扰频率信号。,一、非线性相关噪声,镜像干扰信号经混频器后，会产生一个与中频频率相同的干扰信号。它迭加在有用信号上，用滤波无法将其滤除，它的危害是很大的。,需要指出的是：无论单路混频器做的怎么好，其镜像干扰也是一定存在的！,因此，镜像干扰的最佳抑制措施就是：阻止镜像干扰信号进入混频/变频，rpf滤波器的主要作用就是抑制镜像干扰。,一、非线性相关噪声,另外，由前式可知，fif越高，镜像信号的频率离欲选的frf越远，rpf越能更好的抑制它。因此，仅就镜像干扰的抑制而言， fif越高越好！,电路对镜像干扰的抑制能力一般用镜像频率抑制率（ifrr）来表征：,然而， fif越高，高增益、稳定的ifa又越难做！,一、非线性相关噪声,ifrr（db）=20lgifrr(db),另外，我们还可以推出， frf 越高，阻止镜像信号进入if越困难（抑制率越低，对同样的q）,式中，=（fim /frf）-（frf /fim），q是预选滤波器品质因素。,一、非线性相关噪声,5.互调失真,对于大信号（非线性）放大器和混频器，当它的入端有两个以上的信号时，一定会产生非常丰富的交叉分量，理论分析表明有：,上式中m、n为大于等于1的正整数，电路的模拟带宽愈宽，则m、n可取的正整数值就愈大。,一、非线性相关噪声,理论分析和实验证明了对信道机起主要影响作用的是三阶和五阶交调产物（针对中频滤波器）。,以二次变频接收机为例：,一、非线性相关噪声,交调产物,低本振时,三阶交调,一、非线性相关噪声,五阶交调,高本振时,三阶交调,一、非线性相关噪声,五阶交调,上述交调产物是最有