第2章数字微波通信.pdf

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1、2013-09-10Copy right By Dr.Fang120201313年年年年9 9月月月月3 3日日日日数字微波通信数字微波通信房少军博士房少军博士2013-09-10Copy right By Dr.Fang2TransceiverTransceiverTransmitterTransmitterReceiverReceiver2013-09-10Copy right By Dr.Fang3微波站的多波道工作系统（一个方向上）微波站的多波道工作系统（一个方向上）第二章 微波收发信机第二章 微波收发信机(Microwave Transceiver)2013-09-10Copy ri

2、ght By Dr.Fang4 2.1 微波发信机的组成及主要技术指标 2.1 微波发信机的组成及主要技术指标一、组成微波发信机方框图：微波发信机方框图：代振：代振：信号中断时，70MHz代振器启动，便于明确故障位置，抑制噪声，不影响相邻波道的工作；中频放大器：中频放大器：在中频(70MHz)上放大信号；自动电平控制中频已调信号中放 上变频发信本振公务信号微波功放滤波单向器分路滤波 定向耦合器代振器中频放大器2013-09-10Copy right By Dr.Fang5上变频器：上变频器：将中频已调信号变为微波已调信号；发信本振：发信本振：本地振荡器自动电平控制：自动电平控制：根据定向耦和器

3、送来信号，控制放大器输出，以克服温度变化、器件老化引起的功率不稳定。微波功放：微波功放：在微波频率上进行信号的功率放大；自动电平控制中频已调信号中放 上变频发信本振公务信号微波功放滤波单向器分路滤波 定向耦合器代振器2013-09-10Copy right By Dr.Fang6二、发信机的主要性能指标1工作频段（1二、发信机的主要性能指标1工作频段（1GHz40GHz）目前我国基本使用2、4、6、7、8、11、13、15、18GHz频 段。其中2、4、6GHz频段因电波传播比较稳定，被用于干线微波 通信，而支线或专用网微波通信常用2、7、8、11、13GHz。2.输出功率2.输出功率输出功率

4、是指发信机输出端口处功率的大小。一般在几十 毫瓦到几瓦之间。3.频率稳定度3.频率稳定度射频中心频率f0，实际工作频率与中 心频率偏差f，则频率稳定度K为：0ffK一般频率稳定度为110-5510-6左右。2013-09-10Copy right By Dr.Fang7补充知识：电平的概念补充知识：电平的概念在微波线路中，常用电平表示某点信号的大小。电平又有 绝对电平与相对电平之分。绝对电平：绝对电平：电路某点a的信号功率Pa与1mw的比值取对数后乘10，即为a点信号的绝对电平，单位为dBm。例 例 信号在a点的功率分别为1W、1mW、1W,分别计算出信号 在a点对应的绝对电平。解：解：dBm

5、30mW1mW1000lg10dBmaPWPa1时，dBm0mW1mW1lg10dBmaPWPam1时，2013-09-10Copy right By Dr.Fang8相对电平：相对电平：电路某点a的信号功率Pa与某一参考点b的信号功率的比值取对数后乘10，即为a点信号相对于b点的相对电平，用“Pr”表示，单位为dBr。例 例 信号在a点的功率为1W,在b点的功率为200mw，计算b点信号 相对于a点的相对电平。dBm30mW1mW001.0lg10dBmaPWPa1时，dBr7mW1000mW200lg10brP解：解：2013-09-10Copy right By Dr.Fang9dB d

6、B，dBi,dBd,dBc，dBw释义dB是一个表征相对值的值，纯粹的比值，只表示两个量的 相对大小关系，没有单位。考虑甲功率相比于乙功率大或小多少dB时，计算公式为例 甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。反之，如 果甲的功率是乙的功率的一半，则甲的功率比乙的功率小3 dB。10log（甲功率/乙功率）20log（甲电压/乙电压）2013-09-10Copy right By Dr.Fang10dBi 和dBd例 0dBd=2.15dBi。例 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为 dBi时，则为18.1

7、5dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。dBi和dBd是表示天线功率增益的量，两者都是一个相对 值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线;dBd的参考基准为偶极子;两者略有不同。表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd 表示出来要大2.15。2013-09-10Copy right By Dr.Fang11dBcdBc是一个表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一 样。一般来说，dBc 是相对于载波（Carrier）功率而言，在许 多情况下，用来度量与载波功率的相对值，如用来度量干扰（同 频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等）以及耦合、杂散等 的相对量值。在采用dBc的地

8、方，原则上也可以使用dB替代。dBc 数值经常表示谐波输出低于基波的dB 数。例如：二次 谐波失真-60dBc 的意思是在二倍基波频率的失真输出幅度比基 波低60dB。2013-09-10Copy right By Dr.Fang12dBwdBw是一个表示功率绝对值的单位（也可以认为是以1W功率为 基准的一个比值），计算公式为：10log（功率值/1w）。例 如果功率P为1w，折算为dBw后为0dBw。dBw与dBm之间的换算关系为：0 dBw=10log1 W=10log1000 mw=30 dBm。2013-09-10Copy right By Dr.Fang13在dB，dBm，dBw计算

9、中，要注意基本概念，用一个dBm（或 dBw）减另外一个dBm（dBw）时，得到的结果:?需要注意需要注意一般来讲，在工程中，dBm（或dBw）和dBm（或dBw）之间只 有减，没有加、乘、除。dBm 减 dBm 实际上是两个功率相除，信 号功率和噪声功率相除就是信噪比（SNR）。dBm 加 dBm 实际上是 两个功率相乘。是dB，例如：30dBm-0dBm=30dB。2013-09-10Copy right By Dr.Fang144.高功放的非线性指标4.高功放的非线性指标功放的非线性功放的非线性功放的1dB压缩点功放的1dB压缩点1dB增益压缩点1dB增益压缩点增益由线性增益下降了1dB

10、的点。此时的增益称为1dB增益 压缩点增益G1dB；对应的输出功率称为1dB增益压缩点输出功率 P1dB。通常用P1dB近似表示最大线性输出功率。UOUi功放UiUO2013-09-10Copy right By Dr.Fang15注意：弄清交调与互调的区别另一个重要指标：三阶互调输入到系统中有多个波道信号，或者有用信号与干扰信 号同时进入系统，由于系统存在非线性，使某波道的调制信 号调制到另一个波道的载频上输出，或者使干扰信号调制到 有用信号载波上输出，这种现象称作交叉调制，简称交调。输入多个信号频率（也可能有干扰信号频率），由于系 统存在非线性，输出端除了原来信号频率外，还出现了新的 频率

11、组合分量（如，m1n2，m,n=0，1，2，），这些 频率分量是无用的，这种现象称作互相调制，简称互调。交调（Cross Modulation,CM）互调（Inter Modulation,IM）2013-09-10Copy right By Dr.Fang16如果放大器输入端存在两个正弦信号，其角频率分别为1 和2，则由于放大器的非线性作用将产生许多互相调制分量：m1n2，m,n=0，1，2，。按照谐波次数(m+n)的大 小，各分量分别称为(m+n)阶互调分量。为什么讨论三阶互调？在各阶互调分量中21-2和221处在1和2附近，大多数情况下则处在通频带之内，从而成为干扰信号。另外，随着阶数的

12、增加，系数越小，所以一般仅考虑前三 阶的项。2013-09-10Copy right By Dr.Fang172013-09-10Copy right By Dr.Fang18隔直后输出,并考虑轻微的非线性,则:332210iiiUaUaUatU如果 tAtUi cos,则有:tAatAatAaAatU 3cos4 2cos2 cos4333223310线性条件下功率增益:线性条件下功率增益:100maxlg20lg20lg10aUUPPGii非线性的基波功率增益:非线性的基波功率增益:23143lg20AaaG讨论三阶互调系数IM讨论三阶互调系数IM3 3 00nnintUatU考虑非线性，

13、有：2013-09-10Copy right By Dr.Fang19实际上信道可看成是窄带系统，双频激励信号的各次谐波 和大多数互调产物不能到达负载，因此在轻微非线性信道中只 考虑基波项和三阶互调项。ttAattAaaAtU1221332123102cos2cos283 coscos892 tAtAtUi21cos2cos2代入到:332210iiiUaUaUatU取基波项和三阶互调项：考虑双频激励信号：2013-09-10Copy right By Dr.Fang20三阶互调系数的定义：三阶互调系数的定义：双频输入信号总功率等于单频输入信号的功率时，(21-2 2)或(2 2-1)频率信号

14、的幅度与基波的信号幅度之比值。23123231233938983AaaAaAaaAaIM例如，PSK调制的三阶互调系数约为-20-25dB；而对于多 电平正交调幅系统，如16QAM系统，则要求在-25-30dB以上。2312213212133(2)(2)(dB)10log10log20log()()9a APffPffIMP fP faa A2013-09-10Copy right By Dr.Fang21用三阶截断点三阶截断点(Third-order Intercept Point，IP3)表示三 阶互调产物的影响。IP3 越高表示线性度越好和更少的失真。2013-09-10Copy rig

15、ht By Dr.Fang222.2 微波收信机的组成与主要技术指标一、组成微波低放：2.2 微波收信机的组成与主要技术指标一、组成微波低放：在微波频段上低噪声放大，改善噪声性能；混频与本振：混频与本振：与发信机类似。前置中放：前置中放：中频上的低噪声放大；中频滤波：中频滤波：进行时延均衡，并决定信道的通频带和选择性；主中放：主中放：放大信号并进行自动增益控制（AGC）；图24 数字微波收信机方框图图24 数字微波收信机方框图2013-09-10Copy right By Dr.Fang231.工作频段:1.工作频段:与发信频段相同。2收信本振频率稳定度:2收信本振频率稳定度:收信本振频率稳定

16、度与发信设备基本一致，通常为(12)10-5,要求较高者为(15)10-6。3噪声系数3噪声系数NF网络的增益为G=PSO/PSi，输出端噪声功率为网PGPPnino二、收信机的主要技术指标二、收信机的主要技术指标nosonisiFPPPPN定义：环境温度为标准室温（17oC）、网络输入、输出端匹配2013-09-10Copy right By Dr.Fang24GPPGPPGPGPPPPPPNnininininonosonisiF网网1NF=1，网络本身不产生热噪声，即，输出端噪声功 率仅由输入噪声决定。0P 网可以证明：无源损耗网络的噪声系数等于其正向传输损耗，即可以证明：无源损耗网络的噪

17、声系数等于其正向传输损耗，即NF=L数字微波收信机的噪声系数为3.57dB。4通频带4通频带一般数字微波收信设备的通频带可取传输码元速率的12倍。对于fs=8.448Mb/s的二相调相数字微波通信设备，可取通频带为 13MHz，这个带宽等于码元速率的1.5倍。通频带的宽度是由中频 放大器的集中滤波器予以保证的。2013-09-10Copy right By Dr.Fang255.选择性5.选择性接收本波道信号，并抑制 邻近波道干扰、镜象频率干扰 以及本波道发信干扰的能力，这就是收信机的选择性。收信机的选择性是靠收信混频之前的微波滤波器和混 频后中频滤波器来保证的。fLfSfIf中频f图24 数

18、字微波收信机方框图图24 数字微波收信机方框图2013-09-10Copy right By Dr.Fang266收信机的最大增益6收信机的最大增益低噪声放大器、前置中放和主中放的增益之和。一般收信机最低输入电平为-80dBm，要求主中放在75负载上 输出250mv(相当于-0.8dBm)，收信机最大增益为79.2dB。图24 数字微波收信机方框图图24 数字微波收信机方框图2013-09-10Copy right By Dr.Fang277自动增益控制范围7自动增益控制范围基 准电 平：自由空间传播条件下的收信电平；假定数字微波通信的上衰落为+5dB，下衰落为-40dB，其动 态范围（即收信

19、机输入电平变化范围）为45dB。要求收信机的 AGC范围为45dB。上衰落电平：高于基准电平的收信电平；下衰落电平：低于基准电平的收信电平。2013-09-10Copy right By Dr.Fang282.3热噪声与噪声系数2.3热噪声与噪声系数收信机前几级电路热噪声的影响显得尤为重要。一、热噪声的产生及其性质电阻热噪声：一、热噪声的产生及其性质电阻热噪声：热运动引起电子之间碰撞产生随机电流脉冲，电阻两端就呈现出复杂的交流电压电阻热噪声。散弹噪声：散弹噪声：由半导体器件中电子发射的不均匀引起，使晶体管内部载流子（电子或空穴）电流的大小随机起伏变化。微波设备的热噪声主要是考虑收信机中电路热噪

20、声的影响。2013-09-10Copy right By Dr.Fang29二、网络输入端热噪声的分析理论上证明：二、网络输入端热噪声的分析理论上证明：通频带为B的网络置于温度T的环境，只要网络 与电阻噪声源（或前级网络）阻抗匹配，则网络输入端产生 KTB的可用噪声功率Pa，与噪声源及负载电阻的大小无关。()aPKTB W式中K为玻尔兹曼常数，等于1.3810-23(W/HzK)。T为绝对温 度，0oC相当于273K，T0为标准室温时的绝对温度，T0290K，相当于标准室温17oC。R噪声源 与负载 的连接e en nRe en nRRL2013-09-10Copy right By Dr.F

21、ang30()aPKTB W当T=T0时，KT0410-21(W/Hz)，可用噪声功率Pa的电平值为:)dBm(lg1017410lg1030BBKTPa收信机热噪声由噪声源热噪声和其本身热噪声组成。则折算在收信机输入端的热噪声功率为:KTBNPFnniFnoGPNPnosonisiFPPPPNGKTBNFSiSninPPPP00GPPnin02013-09-10Copy right By Dr.Fang31等效噪声温度等效噪声温度工程上经常用等效噪声温度来表征系统的噪声性能。对于处 于室温环境中一个电子系统，其噪声系数为NF。相当于输入端噪声功率增加:BTNKBKTNPFFn00)1()1(

22、不考虑内部噪声时输入端噪声功率：KT0 B增加的噪声功率由系统内产生，相当于等效噪声温度：考虑内部噪声折合到输入端噪声功率：NF KT0 B0)1(TNTFe若已知等效噪声温度，可求噪声系数：01TTNeFBKTPen2013-09-10Copy right By Dr.Fang32三、网络组合对收信机噪声系数的影响三、网络组合对收信机噪声系数的影响121213121111nFnFFFFGGGNGGNGNNN当实际的收信机或多级网络的各级噪声系数相差不很大，且第一级的增益比较大时（例如15dB以上），则系统的总噪声 系数仅取决于前两项。理论上可以证明：2013-09-10Copy right

23、By Dr.Fang331210210310201011111111neneeeeGGGTTGGTTGTTTTTT121213121neneeeeGGGTGGTGTTT多级网络的等效噪声温度多级网络的等效噪声温度考虑：,10TTNeF,1011TTNeF ,1022TTNeF121213121111nFnFFFFGGGNGGNGNNN代入：2013-09-10Copy right By Dr.Fang34收信机加装FET低噪声放大器，将降低其整机的噪声系数。另外，低噪声放大器的位置也会影响整机噪声系数，下面讨 论。四、低噪声放大器的作用图24 数字微波收信机方框图图24 数字微波收信机方框图2

24、013-09-10Copy right By Dr.Fang351.不加FET低噪声放大器时收信机的噪声系数1.不加FET低噪声放大器时收信机的噪声系数FrbbrFbLrFFLFANLLNLGNNN111 dBdBNdBLdBNFrbFA121021211GNNNFFFFrFFLFLNNNNGG211 ,bLbFLLGLN1 ,2013-09-10Copy right By Dr.Fang362.FET低噪声放大器加于B点2.FET低噪声放大器加于B点5017场场GdBdBG23场场FFNdBdBN1010FrFrNdBdBN58.12bbLdBdBL场场GGNGNNNLrFLFFLFA11(

25、)10lg3.445.4FANdBdB场场GNNLrFFb1 44.350110258.12013-09-10Copy right By Dr.Fang373.FET低噪声放大器加于A点3.FET低噪声放大器加于A点LrFFLFFAGGNGNNN场场场11 3.6dB2.30lg10)dB(FAN结论：由于收信机前面加装了FET低噪声放大器，它的低噪声性能 使收信机整机的噪声系数降低。FET放大器加装的位置不同，其 效果不同。位置越靠前，系统的噪声系数越小；而且FET放大器 本身的增益越高，噪声系数越小，其效果越好。数字微波加装FET低噪声放大器，降低系统噪声系数，放大微 弱微波信号，所以提高

26、了收信机接收灵敏度。数字微波发信功率 比模拟微波低，但对相同频段两者站距基本相同，原因在于此。30.258.15011050158.122013-09-10Copy right By Dr.Fang382.4 高频段的微波接力机2.4 高频段的微波接力机随着频率增高（例如：11GHz、13GHz、15GHz、18GHz等），馈线损耗也会随之增大，如果馈线较长，损耗就增大，则使接收 机的噪声系数增大。这种方法的优点是去掉了不必要的馈线损耗，提高了设备 的系统性能指标。但是，由于射频单元工作于室外，要适应各 种自然环境条件，这就加大了设备的技术难度，如温度适应范 围、防水性能等。这个问题的解决方法

27、是：将微波收发信机的射频部分置于室 外与天线放在一起，基带部分置于室内，射频部分和基带部分采 用中频或数据电缆连接。具体有三种技术方案：2013-09-10Copy right By Dr.Fang392013-09-10Copy right By Dr.Fang40设备连接实物图设备连接实物图设备连接实物图设备连接实物图天线室外单元(天线室外单元(ODUODU)天线抱杆天线抱杆室内单元(室内单元(IDUIDU)中频电缆(同轴型)中频电缆(同轴型)2013-09-10Copy right By Dr.Fang41作业：大连海事大学微波实验室的微波收信机中频部分的组成框图如图所 示，各部分参数为：G1=20dB，NF1=3.0dB，L2=NF2=2dB，G3=40dB，NF3=6dB 计算收信机中频单元的总噪声系数。前放G1 NF1一中放L2 NF2二中放G3 NF3KBT0RL2013-09-10Copy right By Dr.Fang42Thank you for your attention！That is all for today.That is all for today.