电子科技大学通信射频电路 通信系统噪声和非线性特性 19-24

第七章无线通信系统噪声和非线性特性

本章内容通信系统信息容量;通信系统噪声特性、效应及分析方法;通信系统非线性特性及效应;无线接收机灵敏度、动态范围及计算方法。

重点掌握无线通信系统噪声的产生机理及效应、非线性现象与效应;噪声系数、P1dB、IIP3等参数的分析和计算方法;无线接收机灵敏度、动态范围的分析方法。1&7.1通信系统的信息容量

在一个给定的时间内，通过一个通信系统可以传送多少信息的一种度量。I：传输信息总量;B：信道带宽;t:传送时间;K:修正比例系数，取决于调制方式。通信信息容量

根据哈特莱定律：通信带宽愈宽，传输时间愈长，能够通过该系统传输的信息量就愈大。数学表达式为:I=K*B*t∝B*t2要传送更多的信息，可以通过增加带宽，或通过加长传送时间来完成。对于有时间限制的实时通信系统，欲传输更多的信息量,要求通信系统增大带宽,或提高K值(信息信号复杂的,带宽有效的信号调制方式-MSK、QPSK、QAM)。1948年问世的香农（C.E.Shannon）信息论给出了一个通信系统单位时间信息容量的极限值:I=B*log2(1+S/N)或

I=3.32*B*log10(1+S/N)I为信息容量(b/s),B为通信系统信号带宽(Hz),S/N为信噪(功率)比。信息容量极限3

香农公式给出的是信息系统信息容量极限值，并不是任意情况一个系统的信息传输容量都能达到该极限,至少应是使用输出状态（符号数）大于2的数字系统。

确定了一个通信系统在确定的信噪比条件下传送给定信息容量需要的信道带宽。

确定了一个通信系统在确定带宽条件下传送给定信息容量需要的信号信噪比。4

通信系统的通信信息容量与信道带宽、信噪比的大小密切相关!通信带宽

通信系统实际允许传输的信号的最高频率(fmax)与最低频率(fmin)之差。

B=fmax-fmin

实际通信系统通信带宽B主要取决于信道中放带宽。语音电话信号带宽:3KHz(2.7KHz)高保真音乐信号带宽:200KHz电视信号带宽:6MHz(4.5MHz)WCDMA信号带宽:3.84MHz。4G通信信号带宽：5、10、15、20MHz5

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)

理论分析中信号功率容易确定，噪声是随机的，不确定的，噪声功率不易计算，常用噪声功率谱积分得到，可通过测量得到。工程上信噪比常以分贝(dB)为单位表示。6&7.2通信系统/电路噪声特性系统/电路噪声的来源

1.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

2.外部噪声和干扰信号电路的噪声种类

1.热噪声(Johnson/Nyquist）,由束缚电荷的热振动产生的．通信信道中噪声种类

1.内部(电路固有)的噪声

2.外部噪声72.散粒噪声（电子管和固态有源器件），由载流子的随机涨落引起的。电路噪声的效应

1.降低信号的信噪比;

2.降低接收机的灵敏度;

3.增大误码率;

4.提高解调器的最低门限噪声信号的特征参量

噪声信号功率谱密度(SI/V(f)),单位频带内的电压(或电流)均方值（dBm/Hz）。

根据噪声信号功率谱特性,噪声信号分为白噪声和有色噪声、窄带和宽带噪声。

3.闪烁噪声（电子管和固态有源器件）,又称1／f噪声。8噪声功率在Rayleigh－Jeans近似下：

Ｒ电阻两端产生的随机电压的均方根值由普朗克黑体辐射定律给出：在带宽Ｂ内，由Ｒ电阻传输到匹配负载的噪声功率电阻R热噪声源的资用噪声功率！9两端口网络的等效输入噪声源10电阻的热噪声的功率谱密度特性散粒噪声的功率谱密度特性闪烁噪声的功率谱密度特性等效噪声温度

任何一个线性网络产生的噪声为白噪声时，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，该网络可视为无噪的。

任何一个噪声源为白噪声时，其传输到匹配负载Ｒ的噪声功率为Ｐn时，该噪声源可用在温度Te值为Ｒ的有噪电阻代替，Te称为等效噪声温度。有噪网络RsTe=0GpPn0RL无噪网络RsTeGpＰn0RL11噪声温度的测量

原理上说，元件的等效噪声温度可通过在该元件的输入端连接一个处在0K温度下的匹配负载，然后测量输出功率来确定。实际上0K的源温度是不可能达到的，必须采用与此不同的测量方法。噪声温度的Y因子测量法12

T1是热负载的温度，T2是冷负载的温度（T1>T2），P1和P2是分别在放大器输出测到的功率。输出功率包括由放大器产生的噪声功率以及来自源电阻的噪声功率。Y因子定义：通过功率测量，就可用负载温度和Y因子求解出等效噪声温度：13

电路或系统的噪声性能可用噪声系数表征!噪声系数F(噪声因子)=输入信噪比/输出信噪比GpPn0PSiPniPso=GpPsiPno=GpPni+Pn0NF=10log(F)（dB）输入信噪比输出信噪比噪声因子噪声系数(噪声因子的dB表示)：14

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因子F=1或噪声系数NF=0dB例：如图示二端口网络

，试求其噪声系数。ViRoRs15解：该电路电压增益输入信号功率输出信号功率输入噪声功率输出噪声功率噪声系数ViRoRs16端口匹配的无源有耗路（网络）的噪声系数等于其插入损耗！无源有耗电路（网络）的噪声系数

在电路输入和输出端口都匹配的条件下:输出信号功率输入噪声功率输出噪声功率输入信号功率噪声系数17Gp,B,TeRsT0PnoRLPni输入噪声功率输出噪声功率有噪电路的噪声系数计算

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，使用等效噪声温度其分辨率较高。18

多网络级连电路噪声系数Gp1BTe1RsT0Pno2RLPniGp2BTe2Pno1第一级电路的输出噪声功率第二级电路的输出噪声功率19级联等效噪声温度多级级连电路的等效噪声温度多级级连电路的噪声系数20

级连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!低噪高放提高接收机灵敏度的理论依据。解：例１：两级级连电路，F1=2dB,Gp1=12dB,NF2=6dB,Gp2=10dB,求总的噪声系数NF。Gp1NF1Gp2NF221例２：无线接收机的噪声分析

对于图中显示的无线接收机前端的框图，计算该子系统的总噪声系数。假设从馈送天线来的输入噪声功率是Pni=kTAB，其中TA=150K；求输出噪声功率(dBm)。假设要求接收机输出处的最小信噪比为20dB，问能加到接收机输入处的最小信号电压应为多少？设定系统是在温度T0下，其特征阻抗为50欧，中频带宽为10MHz。22解：首先执行从dB表示至数值的转换：Ga=10dB=10,Gf=-1.0dB=0.79,Gm=-3.0dB=0.5Fa=2dB=1.58,Ff=1dB=1.26,Fm=4dB=2.51系统的总噪声系数：

计算出噪声功率的最佳途径是使用噪声温度!总系统的等效噪声温度是:系统的总增益:G=10x0.79x0.5=3.9523

20dB输出信噪比(SRN)要求输入信号功率必须为：

对于50欧的系统特征阻抗，对应于输入信号电压为：输出噪声功率为:24

注意，若从噪声系数的定义来计算输出噪声功率,得到:

该结果是不正确的！因为在噪声系数的定义中已假设输入噪声功率电平为kT0B，这与前面的结果是不同的。在这个例题中输入噪声功率为kTAB，显然TA=150K≠T0。这是一种解题的通病。因此，建议在计算绝对噪声功率时，为了避免混乱，使用噪声温度这种更为安全的方法。25

有源/无源器件的非线性特性&7.3通信系统非线性及效应vbeicicvbeiDiDvGSVGSoffIDss有源器件的非线性特性26i2+Vi+Vo-Vcci1i=i1-i2vi0无源器件的非线性特性电阻的I-V特性电容的C-V特性电感的-I特性271.线性输入输出关系电路/器件的输入与输出关系表征线性电路/器件的特性2.非线性输入输出关系表征非线性电路/器件的特性

电路非线性产生的效应28整流(Rectifying)谐波(Harmonics)增益压缩(GainCompressing)堵塞(Blocking)和交叉调制(Cross-Modulation)交调(Intermodulation)AM-PM整流效应29

谐波效应

对于一单频率信号输入，电路的非线性输入输出关系导致输出中将含有输入频率的各谐波成分和DC分量。NonlinearNetworky(t)=Y(x(t))ff2f3f4f30增益压缩效应增益:

由于高次项的存在，信号增益随着输入信号的增大而压缩。工程上常用1dB压缩点来描述器件增益压缩特性。31堵塞与交叉调制效应32基波分量:若电路增益:

当电路同时接受到两个大小不同的信号,强信号(干扰信号)大于弱信号(有用信号时)，强信号压制弱信号,

使得弱信号的增益变小,从而有用信号得不到足够的放大，电路无法正确接收，此种现象称为堵塞。33若强信号压制弱信号,并产生交叉调制!有用信号输出:

抗强信号堵塞是无线通信接收机的一个重要指标。通常要求邻道干扰抑制能力要大于60-70dB。

两个调幅信号同时输入进非线性电路x(t)=x1(t)+x2(t))，若有用信号x2(t)远小于干扰信号x1(t)时，干扰信号的幅度信息将会调制到有用信号之上，从而出现“串音”现象-交叉调制。交叉调制主要是由器件非线性的三次方项产生的。34

交调(Intermodulation)

电路非线性导致输出中不仅含有输入频率的各谐波成分和DC分量,还含有(nf1+/-mf2)频率分量-交调分量!35交调成分(分量)三阶交调分量五阶交调分量七阶交调分量N阶交调分量DesiredSignalChannelDesiredSignalChannel

滤波器是无法判断那些频率分量是有用信号的，因此进入滤波器通带的所有频率分量都会通过,交调分量成为干扰/噪声信号。

交调干扰是指器件非线性产生的组合频率分量进入通频带而引起的干扰。36

电路非线性项中高次方项通常次方越大其值越小，故工程上一般仅考虑到3-5阶交调情况。衡量非线性电路交调失真度的指标

其与输出信号幅度相关，