第二章 信道機,引言：,信道機傳統上的定義為“信源”到“信宿”之間的電子設備，隨著電子技術尤其是數字處理技術的發展，又進一步分為了調制信道機和編碼信道機，它們之間的關系如下：,信道機是任何一個通信系統所必不可少的組成部分，它直接影響到系統的總特性，因此對信道機特性的研究是對通信系統研究的基礎。,引言,到目前為止，由于調制/解調器(modem)基本上都可以利用數字電路完成，因此，本課程將主要討論調制信道機。,2.1 信道機的主要功能,一、微弱信號的低噪聲放大,因為微弱信號易受噪聲干擾，所以對微弱信號進行低噪聲放大是信道機中需要完成的基本重要工作。,調制器輸出信號通常較小需要放大,天線接收輸入信號通常很小（可小到v量級） 更需要放大,變頻器輸出信號通常較小需要放大,一、微弱信號的低噪聲放大,對小信號進行放大的過程中需要特別加以關注的是如何做到低附加 （新引入 ！）噪聲，這對于接收前端而言即意味著接收靈敏度的大小。,如前面我們介紹過的，對任何電路都有nf0，而我們要做的是如何使nf盡可能的小（盡可能接近于0）。,二、實現信號的頻譜搬移,對發信機而言，調制器的輸出信號的頻率一般較低（便于調制器集成化），可能與實際通信所用的頻率不同，因此需要將信號頻譜搬移到實際信道。,對收信機而言，天空中充滿著各種各樣頻率的無線電信號，而我們需要將有用信號接收下來，并作相應的頻譜搬移以供解調器（工作頻率通常也較低）解調出基帶信號。,二、實現信號的頻譜搬移,頻譜搬移既是在通信系統中我們主動要做的工作之一,也是實際電路中不自覺（不需要時）也會發生的現象之一！,而這種不自覺中發生的現象往往是十分有害的！,二、實現信號的頻譜搬移,做方案設計時應盡可能避免后者的影響！,產生上有害現象的原因既有電路特性上我們需要的非線性（如混頻器）,更需小心提防的是-我們不需要的非線性（如放大器發生飽和現象）,二、實現信號的頻譜搬移,例：某測試信號發生器要求產生四路（1.2ghz, 3.2ghz, 5.7ghz, 9.1ghz）的1khz窄脈沖調制（1s脈寬）信號，要求同一端口輸出，每路功率均大于10dbm，非諧波雜散小于-60dbc 。,設計指導思想：分別用四個鎖相環產生所需要的四個頻率點，再經放大濾波，功率合成，調制輸出。盡量用集成電路。,第一次實現原理方框圖如下：,頻譜搬移例,頻譜搬移例（改進方案）,二、實現信號的頻譜搬移,上例告訴我們，在作實際電路設計時，必須注意：線性是相對的，非線性是絕對的！,現代通信系統中，無論是收還是發的頻譜搬移，大都采用固定中頻處理方式。,有采用一個中頻的，也有采用兩個中頻的，這往往與實際的通信頻段有關（主要取決于相對覆蓋和系統靈敏度要求）。,二、實現信號的頻譜搬移,對于發端，因發射信號功率較大，在將調制信號（頻率）變換至通信頻道的過程中，除了不能在信號帶寬之內產生新的寄生分量之外，也不能產生足以對其他頻段或信道產生干擾影響的寄生分量。,對于收端，在將實際電波頻率搬移到中頻的過程中需要特別注意的是不能在信號的帶寬內產生新的寄生分量。,二、實現信號的頻譜搬移,在作頻譜搬移設計和作信號產生電路設計時，我們必須牢記：,對頻譜起肅凈作用的射頻濾波器也主要應用于系統的頻譜搬移部分。,產生所需要的頻率成分相對容易,這是本門課程的重點內容之一。,而抑制不需要的頻率成分很難！,三、輸出足夠大的功率,這個要求主要難在它有兩方面的要求。,1.對射頻信號應做足夠的（線性）功率放大。它包含兩層要求：,a、放大量（功率增益）和輸出功率應該足夠大，尤其是后者。,b、信號通帶內的放大應是線性的（有時如此）。,三、輸出足夠大的功率,如果說用分立元件完成的電路在現代通信系統中愈來愈少的話，那么這一部分現在基本上都是用分立元件（或管芯）設計完成的。,2.功率放大器應與天線相匹配，且天線要有足夠大的轉換效率以盡量將功率發射到空間中去。,四、對載波進行各種調制與解調,這是為了通信的需要而進行的，目前這部分的數字化或集成化程度愈來愈高，但仍有不少方式的調制/解調需要用模擬分立元件電路來完成，或者需要模擬電路的配合才能完成。,需要指出的是： 到目前為止，實際通信系統的調制/解調基本上都是在較低的頻率上（基于數字電路）完成的。,2.2 信道機的主要電參數,1.工作頻率范圍主要指發射電波頻率范圍 。,2.信道間隔取決于基帶信號的帶寬，一般情況應大于它。,3.中頻帶寬通信實際能傳輸的信號的信息帶寬往往取決于系統的中頻帶寬，它也決定了系統能傳輸的最大信息容量（香農公式）。,2.2 信道機的主要電參數,4.系統增益，g系統對（微弱）信號的放大能力因為實際系統通常由多級子系統級聯而成,系統增益的絕對值對實際通信系統來講意義通常不大！,因為實際系統中往往有agc電路，所以我們通常更關心最前面12級的增益和最后一級的輸出功率（或幅度）。,2.2 信道機的主要電參數,5.噪聲系數f,nf 在第一章我們已經給出了f,nf的定義（單級電路），在多級級聯的情況下我們還需考慮到每級電路的增益的影響。 n個帶噪電路級聯后，總的噪聲因數,上式中：f1,f2,fn為各級的噪聲因數 g1,g2,gn-1為各級功率增益,例：如下三級級聯電路,我們來計算總的噪聲系數,先做轉換,例：三級級聯電路,由上例可以看到，系統總的噪聲系數主要取決于級聯電路的前級，當前級的增益愈高，則后級的影響愈小。因此，低噪聲的關鍵在于最前面一級的設計。,2.2 信道機的主要電參數,6.接收靈敏度,靈敏度是表征接收機檢測出被接收信號能力的指標。靈敏度的定義有許多，主要取決于應用場合。,如：虛警率雷達,誤比特率數據傳送,檢測概率測量、雷達,輸出信噪比通信 等等,6.接收靈敏度,對無線通信系統，比較多地采用下定義:,上式中：s -靈敏度 單位dbm (噪底) -174dbm-室溫條件每赫帶寬的熱噪聲功率。 bw1 -中頻帶寬，單位赫茲。 ksn -是檢波信號要求的(s+n)/n，單位db km-調制方式對應的修正系數，單位db,6.接收靈敏度,從上公式可以看到，該定義實質上就是通信系統的噪聲本底，只要信號大于它，就能接收到。減小nf和中頻帶寬可以提高系統靈敏度。,另一種工程上常用的接收機靈敏度定義是通過測量接收機輸入信號電壓幅值來確定的。這個幅值定義為產生比接受機噪聲本底值大要求數值的解調輸出所必需的輸入信號電壓幅值ea(v),6.接收靈敏度,例如 :靈敏度1uv（信噪比為10db）的收音機。說明天線上收到1uv信號時，人們將聽到高出內部噪聲10db的輸出信號。,接收機噪聲系數nf與ea的關系,設天線和接收機輸入阻抗匹配，等效阻抗為ra，則接收機輸入端的信號功率和噪聲功率分別為:,6.接收靈敏度,上式中：k 波爾茲曼常數,1.38 x 10-23 j/k t 天線有效溫度 常溫=290k bn 接收機噪聲帶寬，一般可用bw1代替。,于是輸入信噪比為:,設輸出信噪比要求為d,則系統噪聲因數為：,6.接收靈敏度,從而,取,若bn的單位為khz,6.接收靈敏度,由上公式我們既可以由接受機的噪聲系數nf算出接受機的靈敏度，也可由靈敏度ea的要求算出對接受機噪聲系數的設計要求。,由公式我們還可以看到，接受機靈敏度ea，輸出信噪比要求d，系統等效帶寬bn，噪聲因素f相互制約。要想提高接收靈敏度必須采取強有力的降低噪聲系數的措施。例如大量采用低噪器件與電路。,6.接收靈敏度,事實上，這里的靈敏度分析還僅考慮了接收機的內部噪聲，天空中還存在如天電、工業干擾等其他電信號的干擾，靈敏度愈高，上述外部干擾的影響也勢必愈大（愈容易收到干擾信號）。,另外，靈敏度愈高，增益要求愈高，內部噪聲的影響也愈大。,6.接收靈敏度,例 設內部噪聲折算到接收機輸入端為0.1v，若檢波要求輸出信號電壓為1v。,輸出信噪比為,當系統增益為107時 vimin=0.1 v,輸出信噪比為,當系統增益為106時，最小能檢波的輸入信號電平為vimin=1 v，此時,2.2 信道機的主要電參數,例 短波ssb接收機典型值 nf=710db bw1=3khz ra=50 ea=1.11.6uv,由此可見系統增益并非愈高愈好！,7.發射機的輸出（線性）功率,指發射機對射頻信號放大后所能達到的最大功率。,對于非恒包絡調制的通信系統，一般指最大線性輸出功率，超過這一功率將產生影響通信的非線性失真。,對于恒包絡調制的通信系統，上述要求有所放松！,8其他,（1）互調失真 其他頻道電臺信號等引起的接收失真。主要取決于接收機輸入選頻電路以及中頻選取等。,（2）輸出雜散 指發信機輸出的除有用信號之外的固定信號，它會干擾其他通信系統的正常工作。這里主要指諧波與非諧波雜散。,8其他,各重通信體制和頻段對雜散均有具體的要求，可參閱相關資料。,例如 二級ssb電臺 頻偏 3-100khz 100khz -70dbc,2.3 信道機的系統結構,2.3.1 接收機的構成,對于信道機來講，接收和發送的系統結構是有所不同的。因此我們下面將分開介紹。,一、構成與功能,2.3.1 接收機的構成,接收機的目標是盡可能大的接收有用信號，抑制干擾信號，進行足以解調的放大，以及可能要求的基帶信號放大。,1因此，在天線的輸出端必須緊接一預選濾波器，傳統的預選濾波器為采用波段切換開關的lc濾波器，為了更好的抑制由天線進入的帶外干擾和噪聲，后來大都采用電子開關切換的半倍頻程帶寬的貝塞爾函數帶通濾波器。,一、構成與功能,例如：短波通信頻段（2-30mhz）通常就被分為8個段。 2-3mhz 3-4mhz 4-6mhz 6-8mhz 8-12mhz 12-16mhz 16-24mhz 24-30mhz,就濾波器的具體實現，現在已從早期的lrc網絡發展到了今天普遍采用的陶瓷濾波器和聲表面濾波器（saw）,一、構成與功能,采用陶瓷濾波器或saw時，短波頻段已實現只須劃分為2-3段（因為濾波器的矩形系數好！）,900mhz頻段的gsm移動通信設備的預選濾波器只需一片saw（相對覆蓋小）。,射頻(rf)濾波器的波段劃分的主要依據就是信號頻率變化的相對覆蓋！,一、構成與功能,2、前置高放-前置低噪聲射頻(rf)放大器(lna) 這是接收機中技術要求最高的放大器。, 足夠的工作帶寬： 短波通信機要求2-30mhz以上。 900mhz頻段要求1ghz以上。, 足夠大的動態范圍： 短波ssb電臺 60db,一、構成與功能, 盡可能低的噪聲系數： 一般lna的噪聲系數要求 nf3db, 增益不能太大： 保證線性，減小互調失真。 一般 g 10db,因為lna增益要求不高，隨著高增益有源混頻（器件）技術的發展，lna有被省去的趨勢。,一、構成與功能,目前lna有大量的集成（芯片）電路可供系統設計師選擇。,例如：用于900mhz頻段的gsm lna gc87（motorola生產） 用于1.9ghz頻段的max2422等,3混頻器 混頻器的主要功能是作頻譜搬移，它屬于非線性器件。它的特性我們后面再介紹。,一、構成與功能,4中頻濾波器 ipf 主要選用矩形系數較好的濾波器（目標是濾除信號帶寬之外的干擾，提高信噪比），以前多為晶體濾波器，現在較多采用陶瓷濾波器和saw。,5中頻放大器 ifa 主要功能是為接收機提供足夠的增益。,6解調 解調出基帶信號,7低放 主要針對音頻基帶信號,二改進與發展趨勢,1、自動增益控制（agc）電路的應用,大動態范圍應用所必需！,二改進與發展趨勢,2自動頻率控制（afc）電路的應用,主要目的是盡可能的減小中頻帶寬。現在更多為瑣相環(pll)所取代！,二改進與發展趨勢,3集成化 變頻中放+解調,二改進與發展趨勢,4采用二級中頻 提高接收靈敏度，減少互調失真,二改進與發展趨勢,5零中頻接收機,二改進與發展趨勢,6寬帶中頻接收機,二改進與發展趨勢,7數字中頻接收機,是為所謂“軟件無線電”,2.3.2發信機的構成,一、構成與功能 1.傳統結構,射頻直接調制發射系統,難以實現復雜調制,一、構成與功能,2.改進型結構,間接調制發射系統,上述系統與收信機的主要區別在于功放、天線匹配的網絡,一、構成與功能,3.數字通信發射系統,數字通信發射系統,二特點,從上述系統框圖我們可以看到，就功能而言，發射系統與接收系統的相比，主要新增功能電路只有射頻功率放大器和匹配網絡。,1射頻功率放大器,射頻功率放大器是對輸出功率、激勵電平、功耗、失真、效率、尺寸和重量等問題作綜合設計的電子電路，其核心是功率晶體管。,功率晶體管的主要要求,對功率晶體管的主要要求有：,工作頻率,擊穿電壓,最大（集電極）電流,最大管耗。,為了輸出大功率，往往由2-4級的功率放大器組成射頻功率放大器。,二功放特點,射頻功率放大器各級的工作狀態通常不同：末級輸出即為系統輸出功率： 末級之前的一般稱為激勵級，負責提供足夠高的激勵電平。,射頻功率放大器的工作狀態劃分與低頻功率放大器相同，主要依據導通角以及是否工作于開關工作狀態。具體大致可分為5類：,二特點,a（甲）類：=1800 為線性放大器，可適用于任何種類的信號，但功率轉換效率最低！,b（乙） 類：=/2（900） 也是線性放大器，通常以推挽對管方式工作。可適用于任何種類的信號，功率轉換效率比a類稍高。 實際上為克服交越失真，更多工作于ab類（ /2),二功放特點,c（丙）類： /2 因此類功放需后接濾波器進行選頻，故僅適用于窄帶信號（便于濾波），一般應為恒包絡調制信號，效率與導通角成反比。,d（丁）類： 開關型 雙管工作于開關工作狀態，對信號電流與電壓實行錯峰以提高效率！恒包絡調制信號，效率較高。,二功放特點,e（戊）類： 開關型，單管開關放大器 較少投入實用,綜上所述，實際系統中可采用何種工作狀態的射頻功率放大器，與信號的調制方式有關。,如，am信號，最好用線性（a類）功放 fm信號，可以用非線性功放 不怕幅度失真。,ssb信號應采用何種功放？,二功放特點,另外，當一個功效放大器不能滿足所需功率輸出時，可利用功率合成技術將多個功率放大器的輸出合成在一起以得到滿足要求的功率輸出。,vhf以下頻段的功率合成通常是利用基于傳輸線變壓器的魔t網絡來實現的。,微波毫米波頻段的功率合成通常是利用平衡電橋來實現的。,后面將做進一步介紹。,二匹配網絡,2匹配網絡,損耗要小，即匹配網絡傳輸效率要盡可能高。,主要要求：,實現將負載阻抗變換為功效管所要求的匹配負載阻抗，保證功率輸出。,更濾除不需要的諧波分量，使負載獲得所需頻率上盡可能大的功率。,二匹配網絡,因此，結合上述要求， rfpa后接的匹配網絡通常采用濾波器形式。故除了具有阻抗匹配功能之外，也有一定的選頻作用。,后面將做進一步介紹。,2.3.3 信道機設計實例,進入20世紀90年代以來，無限局域網（wlan）以其便攜性、可移動性、建網迅速而得到愈來愈多的重視。,下面介紹一種符合ieee802.11協議，基于直擴技術的wlan微波射頻信道機方案。,1997年ieee推出了相應的wlan標準，即ieee802.11協議。后來又推出了ieee 802.15等協議。,一、總體指標要求,1數據率： 1mbps dbpsk 差分二進相移鍵控 2mbps dqpsk 差分四相（正交）相移鍵控 2射頻范圍：2412-2484mhz 4中頻帶寬：22mhz 5誤碼率：10-5 6處理增益：g10db 7接受靈敏度：-90dbm 8工作方式：半雙工 hdx,二接收指標,1靈敏度： -93dbm 1mbps -90dbm 2mbps 2三階交調：-17dbm 3鏡像抑制：65db 4中頻抑制：80db 5鄰道抑制：35db 6輸出信噪比：0db,三發射指標,1輸出功率： +10dbm 2增益： 25db （中頻） 3evm： 35% （失真度）,四、信道機設計框圖,2.4ghz wlan信道機框圖,四、信道機設計框圖,工作過程：,1.接收時：信號先經過二極點介質rfp以濾除帶外噪聲，并提供初步鏡像抑制，然后由lna作20db放大，bfp1進一步抑制鏡像與雜波，通過混頻器與本振lo1混頻得到中頻280mhz，saw bfp2濾出中頻信號。抑制鄰道與雜波干擾，中放為兩級級聯限幅放大器，增益84db，放大器輸出信噪比0db。然后作正交調解。,四、信道機設計框圖,2.發射時：加擴i/q信號以11mhz速率送入，先經lfp整形（抑制旁瓣），然后作正交調制，i/q合成后由saw bfp3、 bfp4濾除雜波，上變頻（與lo2）至2440mhz，bfp3選出射頻信號并抑制混頻載漏，然后進行功率放大（20db），最后經天線發射。,思考題四,有一種較新的收/發系統方案，以收信機為例，其方框圖如下圖所示。它可以單本振完成二次變頻，從而在兼具二次變頻系統優點的同時又降低了變頻本振的實現難度。試分析新方案中對本振、一中頻濾波器要求的變化，以及n的選取原則？,2.4 信道機噪聲分析,這里所指的噪聲為電噪聲，它定義為落入信號通帶中的任何不需要的電能。,對信道機而言，噪聲的分類方法主要有兩種：,一種是將噪聲分為外部噪聲和內部噪聲。 另一種是將噪聲分為相關噪聲和不（非）相關噪聲。,2.4 信道機噪聲分析,而相關噪聲對系統的影響則與系統乃至電路的設計有很大的關系。這是我們要注重加以討論的問題。,一般說來，外部噪聲與非相關噪聲的大小，設計者不易控制，大致只能采取躲避（變換頻道）和提高信號強度兩種方法。,2.4.1 非相關噪聲,總的來說，非相關噪聲大致可以認為是“加性”噪聲。非相關噪聲的來源有很多：,1.大氣噪聲 主要為大氣中靜電變化引起，呈現寬頻帶特性，30mhz以上通信可以不考慮之。,2.宇宙噪聲 太陽黑子活動 大約11年一次爆發 外星系影響 不規則,2.4.1 非相關噪聲,3.人為噪聲 -人類活動引起的干擾。如工業機器干擾，其他電臺干擾。這是在系統設計時要加以注意的噪聲源。,4.器件噪聲（以晶體管為主） 散粒噪聲 渡越（時間）噪聲 與信號共振時會顯著增大 熱噪聲 布朗運動,2.4.1 非相關噪聲,一般情況設計時主要考慮熱噪聲的影響,熱噪聲功率（j.b.johnson 證明）： n=ktb,噪聲電壓：考慮最壞情況和最大噪聲功率傳送。,2.4.1 非相關噪聲,由上可見，ri越大，其熱噪聲輸出電壓也越大！這是rf （端口）阻抗一般要求50匹配的原因之一。,對電路或部件的噪聲特性更多用下前面介紹過的參數來描述： 噪聲系數：f，nf,還有一種描述參數：等效噪聲溫度te 這是一個不能直接測量的假設值。它類似于噪聲系數。,2.4.1 非相關噪聲,等效噪聲溫度te主要用于低噪聲、復雜度很高的vhf、uhf頻段微波與衛星接收機中作為一個靈敏度指標。,定義：te =t（f-1） 由上定義可見te 愈低，表明接收機質量愈好。,nf=1db te =75k （t=290k 室溫）,nf=1.1db te =83.6k （t=290k ）,通信接收機典型值范圍：20k-1000k,2.4.2 相關噪聲,定義：與信號相關（互相關）的噪聲。 亦即沒有輸入信號時就不會有的噪聲。,相關噪聲的主要來源有兩種可能：,一種是因電路非線性而產生的諧波失真和互調失真,另一種是電磁兼容性設計不當而導致的電磁干擾（emi）。,一、非線性相關噪聲,非線性在信道機設計中既有主動的，也有被動的。兩者在設計中都需要加以仔細的考慮。,1.被動情況,通常,這種情況的發生原因主要就是信號幅度超過了電路的線性范圍而處于非線性工作狀態。,要想信噪比大或本級（本地）噪聲的影響小，就希望信號越大越好!,一、非線性相關噪聲,然而信號太大又可能導致非線性失真! 因此，實際設計中應小心謹慎。,在實際工程系統中,這種情況的一個行之有效的解決方案就是引入agc電路以控制大動態輸入信號的幅度。,2.主動情況,在信道機中更多的情況是需要采用非線性器件或作非線性處理。例如:,有些什么處理是非線性？,一、非線性相關噪聲,混頻器,限幅器,整形器,采樣器,信號經過非線性器件處理后會產生非常豐富的頻率成分!,因此，在該器件（電路）的前面或后面常需要作濾波處理，而rf濾波器也主要用在這些地方。,一、非線性相關噪聲,3、諧波失真-這是很常見的失真,定義：信號經非線性放大（混頻）后產生的不需要的信號諧波，一般用諧波失真比描述：,（總的諧波失真百分比）,其中：v0= 基波有效電壓,各次諧波有效電壓的平方和開方。,一、非線性相關噪聲,4.鏡像干擾,對于混頻（器）而言，鏡像信號干擾是一定存在的。設：,這里的fim 即稱為輸入信號frf 的鏡像干擾頻率信號。,一、非線性相關噪聲,鏡像干擾信號經混頻器后，會產生一個與中頻頻率相同的干擾信號。它迭加在有用信號上，用濾波無法將其濾除，它的危害是很大的。,需要指出的是：無論單路混頻器做的怎么好，其鏡像干擾也是一定存在的！,因此，鏡像干擾的最佳抑制措施就是：阻止鏡像干擾信號進入混頻/變頻，rpf濾波器的主要作用就是抑制鏡像干擾。,一、非線性相關噪聲,另外，由前式可知，fif越高，鏡像信號的頻率離欲選的frf越遠，rpf越能更好的抑制它。因此，僅就鏡像干擾的抑制而言， fif越高越好！,電路對鏡像干擾的抑制能力一般用鏡像頻率抑制率（ifrr）來表征：,然而， fif越高，高增益、穩定的ifa又越難做！,一、非線性相關噪聲,ifrr（db）=20lgifrr(db),另外，我們還可以推出， frf 越高，阻止鏡像信號進入if越困難（抑制率越低，對同樣的q）,式中，=（fim /frf）-（frf /fim），q是預選濾波器品質因素。,一、非線性相關噪聲,5.互調失真,對于大信號（非線性）放大器和混頻器，當它的入端有兩個以上的信號時，一定會產生非常豐富的交叉分量，理論分析表明有：,上式中m、n為大于等于1的正整數，電路的模擬帶寬愈寬，則m、n可取的正整數值就愈大。,一、非線性相關噪聲,理論分析和實驗證明了對信道機起主要影響作用的是三階和五階交調產物（針對中頻濾波器）。,以二次變頻接收機為例：,一、非線性相關噪聲,交調產物,低本振時,三階交調,一、非線性相關噪聲,五階交調,高本振時,三階交調,一、非線性相關噪聲,五階交調,上述交調產物是最有