射頻通信電路第2章噪聲課件

第二章噪聲與非線性失真噪聲——限制了系統(tǒng)所能處理的最低信號(hào)電平非線性失真——限制了系統(tǒng)所能處理的最高電平本章主要內(nèi)容:一.噪聲1.起伏噪聲的基本特性2.電子器件內(nèi)部噪聲的來源及等效電路3.衡量系統(tǒng)噪聲性能的指標(biāo)——噪聲系數(shù)與等效噪聲溫度二.非線性1.非線性器件的描述方法2.器件非線性對(duì)線性放大器的影響及衡量指標(biāo)3.非線性器件在頻譜搬移中的2.1起伏噪聲描述起伏噪聲的幾個(gè)重要概念：起伏噪聲的特點(diǎn)（以電阻熱噪聲為例）：隨機(jī)性、電流脈沖持續(xù)時(shí)間短、平均值為零（1）頻譜——極寬，幾乎占據(jù)整個(gè)無(wú)線電頻段（2）功率譜密度——單位：dBm/Hz

頻帶內(nèi)的功率：噪聲電壓均方值

噪聲電流均方值電流功率譜密度電壓功率譜密度和代表單位電阻上的功率（3）等效噪聲帶寬白噪聲:是常數(shù)輸入功率譜密度系統(tǒng)傳遞函數(shù)輸出功率譜密度白噪聲通過線性系統(tǒng)噪聲通過線性系統(tǒng)等效噪聲帶寬定義系統(tǒng)總輸出噪聲4.額定噪聲功率條件:噪聲源與系統(tǒng)匹配NAB與噪聲源電阻R大小無(wú)關(guān)與噪聲源溫度有關(guān)特點(diǎn)1.

基區(qū)電阻熱噪聲——白噪聲2.

散粒噪聲——功率譜密度1.溝道電阻熱噪聲——3.閃爍噪聲——噪聲2.2.2雙極型晶體管的噪聲

3.噪聲等效電路2.2.3場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲2.噪聲等效電路2.2.4電抗元件的噪聲電抗元件的噪聲來源于它的損耗電阻——熱噪聲2.2.5兩端口網(wǎng)絡(luò)的等效輸入噪聲源

等效串聯(lián)噪聲電壓源

并聯(lián)噪聲電流源

輸入端短路，將有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端的值輸入端開路，將有噪網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲功率等效到輸入端的值求法：（4）求等效輸入噪聲電流源輸入端開路此時(shí)輸出端的噪聲均由產(chǎn)生：則不考慮負(fù)載噪聲（3）求等效輸入噪聲電壓源輸入端短路此時(shí)輸出噪聲均由產(chǎn)生，則：不考慮負(fù)載噪聲和是相關(guān)的2.3噪聲系數(shù)2.3.1噪聲系數(shù)定義有噪網(wǎng)絡(luò)2.3.2噪聲系數(shù)與等效輸入噪聲源的關(guān)系信號(hào)源外輸入噪聲源輸入信噪比內(nèi)部噪聲源和輸出噪聲功率輸出信號(hào)功率信號(hào)源輸出信噪比

>1對(duì)噪聲系數(shù)的理解有噪網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)一定大于1噪聲系數(shù)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲大小有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)與外部源噪聲有關(guān)與源噪聲溫度T有關(guān)測(cè)量噪聲系數(shù)時(shí)，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度T0=290k噪聲匹配噪聲系數(shù)最小最佳源內(nèi)阻與源內(nèi)阻R有關(guān)該網(wǎng)絡(luò)的電壓增益為:VO求網(wǎng)絡(luò)總輸出噪聲電壓均方值等效噪聲電路如圖根據(jù)噪聲系數(shù)定義有:結(jié)論：小，噪聲系數(shù)小，與功率最大傳輸——共軛匹配不同在帶寬B內(nèi)輸出噪聲電壓均方值為:2.3.3無(wú)源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)分析條件:輸入、輸出端均匹配已知：無(wú)源有耗網(wǎng)絡(luò)的損耗為L(zhǎng)帶寬為B根據(jù)噪聲系數(shù)的定義結(jié)論：無(wú)源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)在數(shù)值上等于它的損耗

信號(hào)源內(nèi)阻產(chǎn)生的額定噪聲功率為輸出電阻產(chǎn)生的額定噪聲功率為2.4等效噪聲溫度條件：有噪線性網(wǎng)絡(luò)、產(chǎn)生白噪聲、匹配2.4.1等效噪聲溫度定義定義：將網(wǎng)絡(luò)視為無(wú)噪，其內(nèi)部噪聲折合到輸入源端，視為由某電阻在溫度時(shí)產(chǎn)生的白噪聲有噪網(wǎng)絡(luò)輸出噪聲和等效噪聲溫度的關(guān)系2.5多級(jí)線性網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)已知；各級(jí)間均匹配，帶寬均為B額定功率增益、噪聲系數(shù)等效噪聲溫度第一級(jí)輸入噪聲功率第一級(jí)的輸出噪聲功率是第二級(jí)輸出噪聲功率是：求：總噪聲系數(shù)、等效噪聲溫度兩級(jí)總的輸出噪聲功率又可表示為所以相等多級(jí)線性網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)總噪聲系數(shù)2.增大第一級(jí)的增益可以減少后級(jí)對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響1.系統(tǒng)前級(jí)、特別是第一級(jí)的噪聲系數(shù)對(duì)系統(tǒng)影響最大結(jié)論：2.6非線性器件的描述方法非線性器件大信號(hào)時(shí)會(huì)引起失真能完成頻譜搬移各種功能1.用解析函數(shù)描述2.6.1非線性器件的描述方法

------描述器件的伏安特性指數(shù)函數(shù)雙極型晶體管飽和區(qū)----平方律場(chǎng)效應(yīng)管2.冪級(jí)數(shù)描述代入特點(diǎn):

①

呈非線性

②

系數(shù)與工作點(diǎn)有關(guān)在工作點(diǎn)處將伏安特性偏置決定工作點(diǎn)展開為冪級(jí)數(shù)3.分段折線描述適用條件:大信號(hào)輸入二極管差分放大器2.7器件非線性的影響

研究有源器件的非線性對(duì)線性放大器的影響分兩種情況討論只有一個(gè)有用信號(hào)輸入有兩個(gè)以上輸入研究?jī)?nèi)容－－出現(xiàn)的現(xiàn)象、名稱定義；衡量性能的指標(biāo)。2.7.1輸入端僅有一個(gè)有用信號(hào)1.諧波（harmonics）

放大器輸入現(xiàn)象:出現(xiàn)了諧波產(chǎn)生的原因－－器件非線性、信號(hào)幅度大

大?。c系數(shù)有關(guān)－－與工作點(diǎn)有關(guān)影響－－高次諧波被選頻回路濾除輸出電流

非線性增益壓縮線性增益壓縮指標(biāo)－－1dB壓縮點(diǎn)增益壓縮當(dāng)＜0時(shí)，放大器增益隨信號(hào)增大而減小線性增益與器件類型和放大器工作點(diǎn)有關(guān)

增益1dB壓縮點(diǎn)計(jì)算：2.7.2輸入端有兩個(gè)以上信號(hào)設(shè)輸入兩個(gè)信號(hào)：

由于非線性結(jié)果：出現(xiàn)基波諧波－－被選頻回路濾除組合頻率－－在基頻附近的無(wú)法濾除問題：對(duì)基波輸出有什么影響？基波分量：(僅考慮到三次方）二次方產(chǎn)生的組合頻率不在基頻附近，被濾除不在基頻附近，被濾除在基頻附近三次方項(xiàng)產(chǎn)生的組合頻率為1.堵塞（Blocking）

輸入狀況：輸入的有用信號(hào)為弱信號(hào)，而另一個(gè)信號(hào)是強(qiáng)干擾信號(hào)。

平均基波跨導(dǎo)一般有<0有用信號(hào)的跨導(dǎo)隨干擾增大而減小增益隨干擾信號(hào)增大而減小嚴(yán)重基波電流為零－－信號(hào)被堵塞指標(biāo)－－強(qiáng)信號(hào)堵塞60dB～70dB有用信號(hào)基波簡(jiǎn)化（忽略增益壓縮項(xiàng)）2.交叉調(diào)制（CrossModulation）

輸入情況:強(qiáng)干擾是調(diào)幅波幅度有用信號(hào)幅度干擾信號(hào)幅度交叉調(diào)制現(xiàn)象:干擾信號(hào)幅度轉(zhuǎn)移到有用信號(hào)幅度上結(jié)果:當(dāng)有用信號(hào)是調(diào)幅波時(shí),解調(diào)后,會(huì)聽到干擾臺(tái)的串話音輸出有用信號(hào)基波3.互相調(diào)制（Intermodulation）

輸入狀況:兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率、比較接近非線性輸出電流組合頻率、很接近基波，濾波器無(wú)法濾除特點(diǎn):基波幅度三階互調(diào)互調(diào)信號(hào)幅度互調(diào)失真衡量指標(biāo)1.互調(diào)失真比——輸出互調(diào)與輸出基波之比

設(shè)(即輸入信號(hào)較小，可忽略增益壓縮）

互調(diào)失真電壓幅度比:互調(diào)失真功率比:設(shè)：兩信號(hào)輸入幅度均為輸出基波：輸出互調(diào)：2.三階互調(diào)截點(diǎn)

(third-orderinterceptpoint)

定義:三階互調(diào)截點(diǎn)為三階互調(diào)功率和基波功率相等的點(diǎn)

由三階截點(diǎn)dB與dBm某些量的兩種表示自然表示dB表示①

dB表示的量是無(wú)量綱的，是比值。②

電壓比的系數(shù)是20，功率比是10注意1.dB電壓增益功率增益噪聲系數(shù)F=4——功率比當(dāng)輸入輸出阻抗相同時(shí),用dB表示的功率增益、電壓增益數(shù)值相同dB(功率)10logdBWdBmdB（電壓）dBVdBmVdBμV2.dBm與dBmV注意①dBm——對(duì)應(yīng)功率dBmV——對(duì)應(yīng)電壓②電壓、功率的系數(shù)不同表示的量有單位采用dB的優(yōu)點(diǎn)將乘法運(yùn)算變?yōu)榧臃℅P1GP2注意①dB與dB可加減，但不能乘除②dBm與dBm不可相加，但可以相減，結(jié)果為dB③

dB與dBm間可加減，結(jié)果為dBmGPPiPo例:已知一放大器的三階互調(diào)截點(diǎn),當(dāng)輸入功率求:在此輸入功率下的互調(diào)失真比

時(shí),解:在三階互調(diào)截點(diǎn)處由則互調(diào)失真比用分貝表示當(dāng)時(shí),互調(diào)干擾在射頻系統(tǒng)中出現(xiàn)的形式(接收)相鄰信道1相鄰信道2(發(fā)射的強(qiáng)信號(hào))互調(diào)1dB壓縮點(diǎn)與三階截點(diǎn)的關(guān)系即增益壓縮點(diǎn)的輸入（或輸出）電平要比三階截點(diǎn)電平低約10dB均由器件的三次方引起2.7.3多級(jí)非線性級(jí)級(jí)聯(lián)特性討論:系統(tǒng)總的非線性與每一級(jí)的非線性關(guān)系兩級(jí)公式:理解:1.當(dāng)系統(tǒng)的每一級(jí)均有增益時(shí)，系統(tǒng)的總的三階互調(diào)截點(diǎn)輸入功率總是小于每一級(jí)的2.前級(jí)的增益越高,總系統(tǒng)的三階互調(diào)輸入功率越小2.8非線性器件在頻譜搬移中的應(yīng)用非線性器件引起線性放大器失真能完成頻譜搬移功能諧波、組合頻率增益壓縮、互調(diào)失真什么是頻譜搬移？1.兩信號(hào)混頻混頻濾波器或2.調(diào)制調(diào)制濾波器3.解調(diào)解調(diào)低通濾波器同步信號(hào)結(jié)論：頻譜搬移是產(chǎn)生兩信號(hào)的和頻與（或）差頻理想的頻譜搬移電路－－乘法器頻譜搬移的特點(diǎn)：被搬移的信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化非線性器件實(shí)現(xiàn)頻譜搬移非線性器件的二次方項(xiàng)就可實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)的相乘解決方法：（1）從器件的特性考慮－－采用平方律特性—無(wú)高次項(xiàng)（2）從電路考慮－－采用平衡電路結(jié)構(gòu)形式---抵消干擾（3）從輸入電壓的大小考慮，采用線性時(shí)變工作狀態(tài)三次方及三次方以上的各高次方項(xiàng)產(chǎn)生的組合頻率

對(duì)頻譜搬移來說都是干擾

其中由于存在問題：非線性器件用于頻譜搬移的最大問題是——組合頻率太多線性時(shí)變工作狀態(tài)對(duì)什么而言是線性？什么是時(shí)變？工作條件：頻譜搬移的兩個(gè)輸入信號(hào)

一個(gè)是小信號(hào)，一個(gè)是大信號(hào)在時(shí)變工作點(diǎn)展開靜態(tài)偏置大信號(hào)時(shí)變偏置時(shí)變偏置時(shí)變工作點(diǎn)在時(shí)變工作點(diǎn)展開現(xiàn)工作點(diǎn)是隨時(shí)變的，所以也是隨時(shí)變的時(shí)變的含義:展開項(xiàng)的系數(shù)隨大信號(hào)變化的變化頻率與大信號(hào)的頻率相同小信號(hào)時(shí)變偏置代入：得：

時(shí)變靜態(tài)電流（靜態(tài)－－與小信號(hào)無(wú)關(guān)）時(shí)變跨導(dǎo)

將輸入信號(hào)

轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娏鞯哪芰?/p>

最重要的兩個(gè)系數(shù)當(dāng)與均是非線性時(shí),可以展開為:重復(fù)頻率均是大信號(hào)頻率為什么是線性?線性是對(duì)小信號(hào)而言特點(diǎn):僅包含小信號(hào)的線性項(xiàng),不含的諧波忽略二次方以上各項(xiàng)(很小)對(duì)輸出電流頻譜搬移功能頻譜:（）（）頻譜搬移干擾頻率以上的組合頻率成分

線性時(shí)變工作的優(yōu)點(diǎn)：干擾頻率中減少了小信號(hào)的2.9靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍有源器件噪聲－－決定了放大器可放大的最低輸入電平非線性－－引起失真－－決定了放大器可放大的最高輸入電平2.9.1靈敏度接收機(jī)前端解調(diào)器定義：在給定接收機(jī)的解調(diào)器前端所要求的最低信噪比條件下，接收機(jī)所能檢測(cè)的最低輸入電平（功率）靈敏度與什么有關(guān)？天線噪聲溫度接收機(jī)前端解調(diào)器靈敏度計(jì)算以dB表示當(dāng)時(shí)此時(shí)靈敏度：稱基底噪聲－－描述了系統(tǒng)的總噪聲

系統(tǒng)的基底噪聲越大要求輸出的信噪比越高（輸出信號(hào)質(zhì)量好），為保證此輸出質(zhì)量所要輸入的信號(hào)最低電平就越高，即靈敏度越低。結(jié)論：靈敏度為2.9.2動(dòng)態(tài)范圍影響最小輸入電平的因素——基底噪聲影響最大輸入電平的因素——非線性失真定義方法接收機(jī)（或放大器）動(dòng)態(tài)范圍＝允許的最大輸入電平允許的最小輸入電平在輸出端產(chǎn)生的三階互調(diào)輸出折合到輸入端等于噪聲基底1.線性動(dòng)態(tài)范圍1dB壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電平靈敏度（或基底噪