005非线性电路分析方法与混频器2010概要.pptx

第第5章章 非线性电路和变频器非线性电路和变频器 5.1 非线性电路的特征与分析方法非线性电路的特征与分析方法5.2 线性时变参量电路分析方法线性时变参量电路分析方法5.3 变频电路变频电路5.4 混频器干扰混频器干扰5.5 接收机与发射机结构接收机与发射机结构本章要点本章要点1 1、非线性电路分析方法：、非线性电路分析方法：幂级数幂级数、开关函数开关函数、模拟乘法器、时变跨导、模拟乘法器、时变跨导、器件非线性的影响器件非线性的影响2 2、混频器的功能和工作原理混频器的功能和工作原理3 3、二极管混频电路：、二极管混频电路：平衡式平衡式、双平衡式双平衡式4 4、超外差式接收机的构成和工作原理超外差式接收机的构成和工作原理5 5、混频器干扰：、混频器干扰：镜像干扰镜像干扰、中频干扰中频干扰、三阶互调干扰三阶互调干扰6 6、混频器的、混频器的中频选择中频选择、二次混频方案二次混频方案7 7、接收机灵敏度接收机灵敏度和和动态范围动态范围的计算的计算8 8、接收机方案：超外差、直放式、甚低中频式、镜频抑制方案、数字中频、接收机方案：超外差、直放式、甚低中频式、镜频抑制方案、数字中频9 9、接收机与发射机的性能指标、接收机与发射机的性能指标本章作业5.8、5.9、5.17、5.18、5.20、5.22、5.31、5.34、5.35、5.36、5.37、5.395.1 非线性电路的特征与分析方法非线性电路的特征与分析方法 （a）频谱的线性搬移;（b）频谱的非线性搬移 研究非线性电路的目的是研究如何利用非线性电研究非线性电路的目的是研究如何利用非线性电路实现路实现频谱搬移频谱搬移。概述概述线性元件、非线性元件与时变参量元件线性电路谐振电路、滤波器、高频小信号放大器、中频放大器非线性电路功率放大器、振荡器、调制解调器分析方法图解法：用非线性元件和输入信号的波形，通过作图直接求解。解析法：通过实验方法求得非线性元件的特性曲线数学表达式，然后列出电路方程，从而解得电路中的电压和电流。1、非线性元件的特征、非线性元件的特征非线性元件的工作特征线性电阻与非线性电阻的伏安特性曲线静态电阻与动态电阻负电阻非线性电感、非线性电容非线性元件的频率变换作用正弦波通过线性电阻正弦波通过具有平方率特性的非线性电阻非线性元件不满足叠加原理 线性电阻的伏安线性电阻的伏安特性曲线特性曲线 半导体二极管的伏安半导体二极管的伏安特性曲线特性曲线与线性电阻不同，非线性电阻的伏安特性曲线不是与线性电阻不同，非线性电阻的伏安特性曲线不是与线性电阻不同，非线性电阻的伏安特性曲线不是与线性电阻不同，非线性电阻的伏安特性曲线不是直线。直线。直线。直线。非线性元件的工作特征非线性元件的频率变换作用 线性电阻上的电压线性电阻上的电压与电流波形与电流波形 正弦电压作用于二极管正弦电压作用于二极管产生非正弦周期电流产生非正弦周期电流输出电流与输入电压相比，波形不同，周期相同。输出电流与输入电压相比，波形不同，周期相同。输出电流与输入电压相比，波形不同，周期相同。输出电流与输入电压相比，波形不同，周期相同。可知，电流中包含电压中没有的频率成分。可知，电流中包含电压中没有的频率成分。可知，电流中包含电压中没有的频率成分。可知，电流中包含电压中没有的频率成分。传输特性传输特性：设：设：则则 中有：中有：直流分量；直流分量；基波分量和谐波分量：基波分量和谐波分量：组合频率分量：组合频率分量：“非线性非线性”具有具有频率变换频率变换作用。作用。非线性元件的频率变换作用2、非线性电路分析方法、非线性电路分析方法I.幂级数分析法非线性函数的幂级数展开对特性曲线进行曲线拟合非线性元件产生多种新频率滤波II.指数函数分析法模拟乘法器分析III.折线分析法高频功放（1）幂级数分析法）幂级数分析法常用的非线性元件的特性曲线可表示为常用的非线性元件的特性曲线可表示为其中其中式中式中a0 0，a1 1，an n为各次方项的系数，它们由下列通式表为各次方项的系数，它们由下列通式表示示v=v1 1+v2 2，VQ是静态工作点。是静态工作点。i=a0+a1v+a2v2+a3v3+anvn+上述特性曲线可用幂级数表示为上述特性曲线可用幂级数表示为从频域考察非线性能够揭示非线性的频率变换作用，因从频域考察非线性能够揭示非线性的频率变换作用，因此，选择如下信号作为幂级数的输入电压。此，选择如下信号作为幂级数的输入电压。将和项展开，可得将和项展开，可得i=a0+a1v+a2v2+a3v3+anvn+（1）幂级数分析法）幂级数分析法三角降幂公式三角降幂公式直流成分直流成分耦次谐波耦次谐波p+q n（1）幂级数分析法）幂级数分析法0n最高次数为最高次数为3的多项式的频谱结构图的多项式的频谱结构图（1）幂级数分析法）幂级数分析法（1）幂级数分析法）幂级数分析法输出电流中存在输入电压中不曾有的频率分量。各组合频率系数之和最高也不超过幂级数最高次数。所有组合频率成对出现。（1）幂级数分析法）幂级数分析法在实际应用中，非线性器件往往与线性网络结合使用，前者产生新频率，后者作为滤波器从新频率中选择有用频率。当考虑了负载的影响后，在非线性元件特性曲线上各个瞬时工作点的连接线（轨迹）叫做动特性曲线。（2）指数函数分析法）指数函数分析法多用于分析由差分对管构成的模拟乘法器电路，如左图所示。详细的分析过程在模拟乘法器调幅部分讲解。晶体三极管的转移特性曲线用折线近似 信号较大时，所有实际的非线性元件几乎都会进入饱和信号较大时，所有实际的非线性元件几乎都会进入饱和或截止状态。此时，元件的非线性特性的突出表现是截止、或截止状态。此时，元件的非线性特性的突出表现是截止、导通、饱和等几种不同状态之间的转换。导通、饱和等几种不同状态之间的转换。（3）折线分析法）折线分析法折线的数学表达式：折线法分析非线性电路，多用于分析高频功率放大器，详细分析过程在高频功率放大器一章进行讲解。（3）折线分析法）折线分析法5.2、线性时变参量电路分析方法、线性时变参量电路分析方法 线性时变电路：指电路元件的参数不是恒定不变的，而是线性时变电路：指电路元件的参数不是恒定不变的，而是按一定规律随时间变化，且这种变化与元件的电流或电压无关。按一定规律随时间变化，且这种变化与元件的电流或电压无关。时变跨导电路或时变电阻电路时变跨导电路或时变电阻电路模拟乘法器电路模拟乘法器电路开关函数分析法开关函数分析法v=v1 1+v2 2 若若v1 1足够小，可以忽略上式中足够小，可以忽略上式中v1 1的二次方及其以上各次方的二次方及其以上各次方项，则该式可简化为项，则该式可简化为在在(VQ+v2 2)关于关于v1 1的泰勒级数展开式，即的泰勒级数展开式，即则则（1）时变跨导电路分析方法）时变跨导电路分析方法都是简谐振荡电压v2的函数。集电极电流晶体管跨导将 和 代入上式中可得：可见，受v2控制的晶体管跨导的基波分量和谐波分量与 的乘积将产和频与差频所组成的新频率分量。可见，一个大信号和一个小信号共同作用于非线性器件时，非线性系统可以等效为线性时变系统。有源单管混频器将用这种方法进行分析。（2）模拟乘法器电路）模拟乘法器电路晶体三极管差分对晶体三极管差分对模拟乘法器原理电路模拟乘法器原理电路折线折线归一化电流归一化电流与值的关系与值的关系模拟乘法器电路在调幅相关章节中详述。只有两个输入电压幅度较小，晶体管处于线性区时，乘法器才呈现理想特性。（3）开关函数分析法）开关函数分析法大小两个信号同时作用于非线性元件时的原理性电路开关的控制信号及其开关函数0开关函数分析法多用于分析二极管乘法电路，这部分内容将在二极管混频电路中详述。5.3 变频电路变频电路 在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的载波频率在保持相同调制规律的条件下，将输入已调信号的载波频率从从fs变换为固定变换为固定fi的过程称为变频或混频。的过程称为变频或混频。（以调幅为例（以调幅为例）在接收机中，在接收机中，fi称为中频。一般其值为称为中频。一般其值为其中其中fo是本地振荡频率。是本地振荡频率。超外差式接收机超外差式接收机 其中，其中，fi大于大于fs的混频称为上混频，的混频称为上混频，fi小于小于fs的混频称为下混频。的混频称为下混频。混频器工作原理举例混频器工作原理举例 经过混频器变频后，输出频率为经过混频器变频后，输出频率为 混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载波频率，而振幅包络形状不变。波频率，而振幅包络形状不变。混频的实质混频的实质线性频率变换线性频率变换 变频前后的频谱图5.3.1 混频器主要质量指标混频器主要质量指标A.A.变频变频(混频混频)增益：增益：混频器输出中频电压混频器输出中频电压V Vimim与输入信号电压与输入信号电压V Vsmsm的的幅值之比。幅值之比。B.B.噪声系数：噪声系数：高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。高频输入端信噪比与中频输出端信噪比的比值。C.C.选择性：选择性：抑制中频以外的信号的干扰的能力。抑制中频以外的信号的干扰的能力。D.D.非线性干扰：非线性干扰：抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。抑制组合频率干扰、交调、互调干扰等干扰的能力。5.3.2 晶体管混频器晶体管混频器晶体管混频器原理电路混频管看做线性参变元件，其跨导随振荡电压做周期性变化。当高频信号通过线性参变元件时，便产生各种频率分量，达到变频的目的。电路组态电路组态 晶体管混频器的电路组态5.3.3 晶体管混频器的分析晶体管混频器的分析 前面分析表明，要进行混前面分析表明，要进行混频，可以用非线性电子器件工频，可以用非线性电子器件工作于线性时变状态来实现作于线性时变状态来实现,即即V V0m0mV Vsmsm。iC=f(VBB+v0 0)+f(VBB+v0 0)vs s其中其中f(VBB+v0)是时变跨导。是时变跨导。已知振荡电压已知振荡电压 v0 0=V0cos0tv0vs5.3.3 晶体管混频器的分析晶体管混频器的分析 混频管跨导随本振电压V变化5.3.3 晶体管混频器的分析晶体管混频器的分析已知输入电压已知输入电压 中频输出电流中频输出电流 已知输入电压已知输入电压 中频输出电流中频输出电流 变频跨导变频跨导 5.3.4 晶体管混频器电路举例与工作状态选择晶体管混频器电路举例与工作状态选择某调幅通信机混频器电路调谐于调谐于s 调谐于调谐于i5.3.4 晶体管混频器电路举例与工作状态选择晶体管混频器电路举例与工作状态选择自激式变频器电路 调谐于调谐于i调谐于调谐于s晶体管混频器的特点晶体管混频器的特点优点：有变频增益优点：有变频增益 缺点：缺点：1）动态范围较小）动态范围较小 2）组合频率干扰严重）组合频率干扰严重 3）噪声较大）噪声较大 4）存在本地辐射）存在本地辐射5.3.5 二极管混频器二极管混频器二极管开关混频原理二极管平衡混频器二极管环形混频器5.3.5 二极管开关混频原理二极管开关混频原理所谓开关工作状态，几十调整本振电压的幅度（0.61V）来控制混频器的工作。在振荡电压的正半周，二级管导通（小电阻）；负半周，二极管截止（大电阻）。二极管伏安特性曲线可用一条过零点的直线来代表。二极管开关特性可表示为：5.3.5 二极管开关函数二极管开关函数二极管开关特性 若若i 单向正相余弦开关函数单向正相余弦开关函数 ii 单向反相余弦开关函数单向反相余弦开关函数iii 双向开关函数双向开关函数5.3.5 余弦型开关函数展开式5.3.5 正弦型开关函数展开式 若若 i 单向正相正弦开关函数单向正相正弦开关函数 ii 单向反相正弦开关函数单向反相正弦开关函数 iii 双向开关函数双向开关函数通过二极管的电流为：由上式可得输入信号分量和中频电流分量：它们的幅值为信号电流反向混频正向混频中频电流5.3.5 二极管开关混频原理二极管开关混频原理反向混频是二极管混频器特有的现象，三极管混频器中由于输入与输出隔离很大，反向混频可以忽略。可求得二极管开关混频器在全匹配条件下是衰减的，其电压传输系数相当于-10dB。它的电压传输系数为：二极管开关混频器增益小于1，这是它的一个缺点。5.3.5 二极管开关混频原理二极管开关混频原理5.3.5 二极管平衡混频器二极管平衡混频器二极管平衡混频器原理电路与等效电路5.3.5 二极管平衡混频器二极管平衡混频器如果如果如果如果V V0m0m V Vsm sm,D D1 1和和和和D D2 2工作于开关状态，工作于开关状态，工作于开关状态，工作于开关状态，5.3.5 二极管平衡混频器二极管平衡混频器对比单二极管混频电路和二极管平衡混频电路的回路电流，可以发现，二极管平衡混频回路中包含的频率分量大为减少。同时，在输入端没有本振角频率0及其谐波分量的电压。单二极管混频电路回路电流二极管平衡混频电路回路电流5.3.5 二极管环形混频器二极管环形混频器二极管环形混频器5.3.5 二极管环形混频器二极管环形混频器在本振电压正半周的环形混频器二极管环形混频器二极管环形混频器在本振电压负半周的环形混频器5.3.5 二极管环形混频器二极管环形混频器为了便于说明问题，这里忽略反向混频，即 的存在。5.3.5 二极管环形混频器二极管环形混频器环形混频器输出电流为：平衡混频器输出电流为：单向开关函数可见环形混频器由于开关函数中没有直流分量，因此输出电流中的频率分量进一步减少。双向开关函数5.3.5 小结小结单二极管混频器输出电流二极管平衡混频器输出电流环形混频器输出电流本振频率被抵消开关函数中的直流分量被抵消上述分析中没有考虑反向混频的影响，实际上，反向混频现象在二极管混频器中总是存在的。5.3.6 差分对混频器差分对混频器 差分对混频器5.3.6 模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器模拟乘法器混频器四象限乘法器前置中放缓冲放大5.4 混频器干扰混频器干扰5.4.1 5.4.1 组合频率干扰组合频率干扰(干扰哨声干扰哨声)和副波道干扰和副波道干扰5.4.2 交叉调制(交调)5.4.3 互相调制(互调)5.4.4 阻塞现象与相互混频5.4.5 克服干扰的措施5.4.1 5.4.1 组合频率干扰组合频率干扰(干扰哨声干扰哨声)和副波道干扰和副波道干扰1.有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰哨叫干扰哨叫干扰 当接收机接收某一电台音频信号时，除了能听到有用信当接收机接收某一电台音频信号时，除了能听到有用信号外，还同时能听到等音频的哨叫声。号外，还同时能听到等音频的哨叫声。（F为音频）为音频）混频器组合频率输出混频器组合频率输出混频器中频频率输出混频器中频频率输出（p=1，q=1）若若则可能产生哨叫干扰则可能产生哨叫干扰5.4.1 5.4.1 组合频率干扰组合频率干扰(干扰哨声干扰哨声)和副波道干扰和副波道干扰1.有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰哨叫干扰哨叫干扰 它将与有用信号叠加，并同时被中频放大器放大，然后它将与有用信号叠加，并同时被中频放大器放大，然后检波输出。检波输出。检波器除了输出有用信号的解调信号外，还伴有一个频率检波器除了输出有用信号的解调信号外，还伴有一个频率为为F的音频信号，这就形成了哨叫干扰。的音频信号，这就形成了哨叫干扰。5.4.1 5.4.1 组合频率干扰组合频率干扰(干扰哨声干扰哨声)和副波道干扰和副波道干扰1.有用信号和本振产生的组合频率干扰有用信号和本振产生的组合频率干扰哨叫干扰哨叫干扰 AM收音机有效波段为收音机有效波段为5351605kHz，它的中频频率为，它的中频频率为465kHz。在中频放大器的通频带宽度为在中频放大器的通频带宽度为9kHz，输入信号频率在，输入信号频率在925.5 934.5kHz的范围内，就将产生的范围内，就将产生pl，q2的哨叫干扰。的哨叫干扰。无哨叫干扰无哨叫干扰一次项：一次项：三次项：三次项：5.4.1 5.4.1 组合频率干扰组合频率干扰(干扰哨声干扰哨声)和副波道干扰和副波道干扰2.干扰信号和本振产生的副波道干扰干扰信号和本振产生的副波道干扰 当混频器前级的天线和高频放大电路的选频特性不理想时，当混频器前级的天线和高频放大电路的选频特性不理想时，在通频带以外的电台信号也有可能进入混频器的输入端而形成在通频带以外的电台信号也有可能进入混频器的输入端而形成干扰。干扰。干扰信号与本振信号经过混频产生的组合频率为：干扰信号与本振信号经过混频产生的组合频率为：若该组合频率落于中频放大器通频带内就意味着频率为若该组合频率落于中频放大器通频带内就意味着频率为fn的干扰信号便顺利进入中频放大器，经检波后使可听到这一干的干扰信号便顺利进入中频放大器，经检波后使可听到这一干扰电台的信号。由于它是主波道以外的波道对有用信号形成的扰电台的信号。由于它是主波道以外的波道对有用信号形成的干扰，所以称为副波道干扰，又称寄生通道干扰。干扰，所以称为副波道干扰，又称寄生通道干扰。5.4.1 5.4.1 组合频率干扰组合频率干扰(干扰哨声干扰哨声)和副波道干扰和副波道干扰考虑到下混频，只有以下两式成立考虑到下混频，只有以下两式成立干扰信号与本振信号经过混频产生的组合频率为：干扰信号与本振信号经过混频产生的组合频率为：只要干扰信号的频率满足上式的要求，就可以在中频放大器只要干扰信号的频率满足上式的要求，就可以在中频放大器输出端产生干扰信号输出端产生干扰信号。5.4.1 5.4.1 中频干扰中频干扰在中，取p=0，q=1可得，的中频干扰。由于混频器对中频信号具有良好的放大性能，传送至中频放大器的中频干扰信号有可能比有用信号更强。5.4.1 镜像干扰镜像干扰可得 这种干扰对于混频器和中频放大器来说，其传输能力与有用信号完全相同，所以它将顺利地通过中频放大器经检波而造成严重的干扰。在中，取p=1，q=1什么是镜像频率？什么是镜像频率？后果如何？后果如何？消除镜像频率干扰的方法：不让镜频信号进入变频器消除镜像频率干扰的方法：不让镜频信号进入变频器前端滤波器滤除前端滤波器滤除滤波器实现难点？滤波器实现难点？射频滤波器通带做不窄射频滤波器通带做不窄解决方法解决方法:提高中频提高中频5.4.2 5.4.2 交叉调制交叉调制(交调交调)干扰信号对有用信号调制产生的交叉调制干扰干扰信号对有用信号调制产生的交叉调制干扰 当接收机调谐在有用信号的频率上时，干扰电台的调制当接收机调谐在有用信号的频率上时，干扰电台的调制信号听得清楚，而当接收机对有用信号频率失谐时，干扰电台信号听得清楚，而当接收机对有用信号频率失谐时，干扰电台调制信号的可听度减弱，并随着有用信号的消失而完全消失，调制信号的可听度减弱，并随着有用信号的消失而完全消失，换句话说，好象干扰电台的调制转移到了有用信号的载波上。换句话说，好象干扰电台的调制转移到了有用信号的载波上。5.4.2 5.4.2 交叉调制交叉调制(交调交调)若有用信号和干扰信号均为调幅波，混频器的非理想相若有用信号和干扰信号均为调幅波，混频器的非理想相乘特性会使有用信号的各频率分量的幅度受干扰信号的幅度影乘特性会使有用信号的各频率分量的幅度受干扰信号的幅度影响，其包迹发生变化。响，其包迹发生变化。分析表明，非理想相乘特性的四次项中所含的分析表明，非理想相乘特性的四次项中所含的v0 vs vn2项将项将产生寄生中频信号，产生寄生中频信号，5.4.3 5.4.3 互相调制互相调制(互调互调)两干扰信号和本振信号产生的互相调制干扰两干扰信号和本振信号产生的互相调制干扰 在输入有用信号的同时，有两个干扰信号在输入有用信号的同时，有两个干扰信号vn1(t)和和vn2(t)也作用于混频器输入端也作用于混频器输入端,使混频器的输入端同时作用了包括本使混频器的输入端同时作用了包括本机振荡共机振荡共4 4个输入信号，这两个干扰信号与本机振荡信号的组个输入信号，这两个干扰信号与本机振荡信号的组合就有可能产生两个干扰信号间的互相调制，从而产生寄生中合就有可能产生两个干扰信号间的互相调制，从而产生寄生中频分量。频分量。5.4.3 5.4.3 互相调制互相调制(互调互调)实际上，由于混频器前的高频放大器具有良好的滤波作用，实际上，由于混频器前的高频放大器具有良好的滤波作用，往往只有频率比较接近输入信号频率的两个干扰信号才能有效往往只有频率比较接近输入信号频率的两个干扰信号才能有效地加到混频器的输入端。因此，假定两个干扰信号的频率地加到混频器的输入端。因此，假定两个干扰信号的频率fn1和和fn2比较靠近比较靠近fs，那么能够满足上式情况限于，那么能够满足上式情况限于组合频率干扰只要两个干扰频率满足就会产生互调干扰，其中三阶互调干扰最为严重5.4.3 互相调制互相调制(互调互调)设某电台工作于2.4MHz，两个干扰台分别工作于0.9MHz和1.5MHz。0.9+1.5=2.4MHz2*1.5+0.9=3.9MHz2*1.5-0.9=2.1MHz2*0.9+1.5=3.3MHz2*0.9-1.5=0.3MHzm+n=3的三阶互调干扰m+n=2的二阶互调干扰三阶互调干扰数量众多，排除困难，是互调干扰中危害最严重的。5.4.45.4.4阻塞现象与相互混频阻塞现象与相互混频1.1.阻塞现象阻塞现象 当一个强干扰信号进入接收机输入端后，由于输入电路抑当一个强干扰信号进入接收机输入端后，由于输入电路抑制不良，会使前端电路内的放大器或混频器工作于严重的非线制不良，会使前端电路内的放大器或混频器工作于严重的非线性区域，甚至完全破坏晶体管的工作状态，使输出信噪比大大性区域，甚至完全破坏晶体管的工作状态，使输出信噪比大大下降。这就是强信号阻塞现象。下降。这就是强信号阻塞现象。信号过强时，甚至可能导致晶体管的结被击穿，晶体信号过强时，甚至可能导致晶体管的结被击穿，晶体管的正常工作状态被破坏，产生了完全堵死的阻塞现象。管的正常工作状态被破坏，产生了完全堵死的阻塞现象。5.4.45.4.4阻塞现象与相互混频阻塞现象与相互混频2.2.相互混频相互混频 因为这时是将本振源的边带噪声去调制干扰信号（较因为这时是将本振源的边带噪声去调制干扰信号（较强），故称为噪声调制。这时干扰信号作为噪声调制中的强），故称为噪声调制。这时干扰信号作为噪声调制中的载频，本振源中的边带噪声（较弱）当作输入信号，正好载频，本振源中的边带噪声（较弱）当作输入信号，正好与原来的混频位置颠倒，所以又称为倒易混频。与原来的混频位置颠倒，所以又称为倒易混频。倒易混频示意图5.4.5 5.4.5 克服干扰的措施克服干扰的措施提高混频级前端电路提高混频级前端电路(天线回路和高放天线回路和高放)的选择性。的选择性。固定调谐滤波器固定调谐滤波器合理地选择中频，能有效地减小组合频率干扰。合理地选择中频，能有效地减小组合频率干扰。高中频与低中频高中频与低中频合理地选择与运用混频管。例如，合理设置静态合理地选择与运用混频管。例如，合理设置静态工作点，加深度交流负反馈，选用场效应管等。工作点，加深度交流负反馈，选用场效应管等。采用各种平衡电路。采用各种平衡电路。5.5 接收机与发射机结构接收机与发射机结构5.5.1灵敏度与动态范围5.5.2概述5.5.3接收机方案5.5.4发射机方案5.5.5无线收发信机的性能指标5.5.1 接收机灵敏度接收机灵敏度噪声决定了放大器可放大的噪声决定了放大器可放大的最低输入最低输入电平电平定义：定义：在给定接收机的解调器前端所要求的在给定接收机的解调器前端所要求的最低信噪比条件下，最低信噪比条件下，接收机所能检测的接收机所能检测的最低输入电平最低输入电平（功率）（功率）接收机前端例：某电视接收机解调器正常工作所需最小信噪比为20dB，电视接收机带宽为6MHz。接收机前端电路噪声系数10dB，求接收机前端电路输入信号电平至少多大？即，求以电压表示的接收机灵敏度。接收机前端接收机前端解调器解调器由噪声系数定义得多级网络级联时，电路带宽等于系统等效噪声带宽。因此，输入噪声功率为：则当T=290k时，要求输入的信号功率为设信号源内阻为 ，则所需最小信号电势为：5.5.1 动态范围动态范围影响最小输入电平的因素影响最小输入电平的因素基底噪声基底噪声影响最大输入电平的因素影响最大输入电平的因素非线性失真非线性失真接收机（或放大器）接收机（或放大器）动态范围动态范围允许的允许的最大输入最大输入电平电平允许的允许的最小输入最小输入电平电平1dB压缩点压缩点对应的输入电平对应的输入电平灵敏度（或基底噪声）灵敏度（或基底噪声）1.线性动态范围线性动态范围定义方法定义方法2.无杂散动态范围无杂散动态范围5.5.2 概述概述通信机基本结构通信机基本结构射频级基本结构射频级基本结构发射部分发射部分接收部分接收部分天线公用器天线公用器本章本章主要内容主要内容：介绍发送、接收机的：介绍发送、接收机的结构方案结构方案主要指标主要指标射频发射级的射频发射级的基本组成基本组成及及完成功能完成功能：完成基带信号对载波的完成基带信号对载波的调制调制 通带信号（已调波）通带信号（已调波）将通带信号将通带信号搬移搬移到所需的频段到所需的频段上变频上变频放大放大到足够的功率并发射到足够的功率并发射不干扰相邻信道不干扰相邻信道限制频带限制频带主要指标：主要指标：频谱频谱、功率功率、效率效率产生正弦载波产生正弦载波射频接收级的射频接收级的基本组成基本组成及及完成的功能完成的功能从众多的电波中选出有用信号从众多的电波中选出有用信号选频、滤除干扰选频、滤除干扰将微弱信号将微弱信号放大到解调器所要求的电平值放大到解调器所要求的电平值放大放大将通带信号变为基带信号将通带信号变为基带信号 解调解调接收机的主要指标：接收机的主要指标：灵敏度灵敏度、选择性选择性设计接收机和发射机的射频部分时应解决的设计接收机和发射机的射频部分时应解决的关键问题关键问题 选用合适的选用合适的调制和解调调制和解调方式方式 抗干扰性能好、频带利用率高、功率有效性好抗干扰性能好、频带利用率高、功率有效性好 接收机接收机选出选出有用信道有用信道抑制抑制干扰干扰 难点难点已调信号载频高、信道窄已调信号载频高、信道窄 接收机的接收机的灵敏度和线性动态范围灵敏度和线性动态范围 发射机的发射机的高效率高效率不失真的不失真的功率放大器功率放大器 限制发射信号限制发射信号对相邻信道的干扰对相邻信道的干扰 天线天线收发转换器收发转换器的损耗小，隔离性好的损耗小，隔离性好5.5.3 接收机方案接收机方案超外差式接收机直接下变频方案镜频抑制接收方案数字中频方案5.5.3 超外差式接收机超外差式接收机超外差式接收机基本框图变频器变频器功能：将接收到的射频不失真的功能：将接收到的射频不失真的降低降低为一个为一个固定固定的中频的中频关键部件：关键部件：下变频器下变频器变频特点：变频特点：频率降低频率降低 频谱结构不变频谱结构不变5.5.3 超外差式接收机超外差式接收机1、选择性问题中频信号比载频信号低得多，在中频段实现对有用信道的选择要比在载频段选择对滤波器Q值的要求低得多。2、增益问题将接收机总增益分配到频带放大器，中频放大器和基带放大器上。降低了放大器设计难度，有利于得到稳定的高增益。3、在较低的固定中频上解调或进行AD变换相对容易。使用超外差式结构的理由（1 1）为了解决为了解决选择性选择性解决措施解决措施（1）降低频率选信道降低频率选信道 （2）滤波器中心频率是否能固定？）滤波器中心频率是否能固定？为什么为什么要将接收到的射频频率要将接收到的射频频率降低？降低？上行上行频带频带:890:890 915MHz915MHz（移动台发、基站收）（移动台发、基站收）下行下行频带频带:935:935 960MHz 960MHz（移动台收、基站发）（移动台收、基站发）每个每个信道信道:200KHz:200KHz GSM通信系统通信系统特点特点：信道带宽信道带宽远比远比载频小载频小两个概念两个概念频带频带信道信道（1）射频段）射频段选择信道非常困难选择信道非常困难要求滤波器要求滤波器Q值极高值极高结果：结果：（2）同一接收机应用于不同信道，射频滤波器的中心频率必须变化）同一接收机应用于不同信道，射频滤波器的中心频率必须变化超外差式接收机方案超外差式接收机方案 特征：降所有接收到的射频信号特征：降所有接收到的射频信号降低降低为为固定固定的中频的中频电路模块：电路模块：本地振荡器（本地振荡器（本振本振）产生频率为产生频率为 的正弦波的正弦波 中频中频 固定，固定，选择选择信道信道中频滤波器中频滤波器 下变频器，功能下变频器，功能射频段射频段滤波器选择滤波器选择频带频带（2 2）为使接收机达为使接收机达稳定的高增益稳定的高增益天线输入天线输入电平约为电平约为-100 -120dBm（级）级）解调器输入解调器输入一般要求约一般要求约500mV要求要求增益大于增益大于100dB以上以上总增益射频增益总增益射频增益 混频增益混频增益 中频增益中频增益结果：结果：增益增益分散在各频段分散在各频段，易稳定，易稳定 中频中频频率低且固定频率低且固定，增益易大而稳定，增益易大而稳定（主要增益级主要增益级）（3 3）在较低的固定中频上解调或在较低的固定中频上解调或A/DA/D变换也相对容易变换也相对容易 超外差接收机各级功能超外差接收机各级功能低噪声放大器低噪声放大器射频放大射频放大变频器变频器频谱搬移频谱搬移中频放大中频放大选信道、主增益级选信道、主增益级超外差接收机的主要缺点超外差接收机的主要缺点 变频器引入众多的组合频率干扰变频器引入众多的组合频率干扰基本实现方法基本实现方法变频功能变频功能频谱搬移频谱搬移产生组合频率产生组合频率非线性非线性器器 件件滤波器滤波器产生众多组合频率的原因？产生众多组合频率的原因？滤波器不理想滤波器不理想非线性器件不是非线性器件不是理想平方律特性理想平方律特性组合频率组合频率当当 小于中频带宽时，通过滤波器输出小于中频带宽时，通过滤波器输出 变频器引起的寄生通道干扰变频器引起的寄生通道干扰非线性非线性器器 件件滤波器滤波器当输入端伴有干扰信号时当输入端伴有干扰信号时输入端没有其它干扰信号输入端没有其它干扰信号组合频率组合频率 通过滤波器输出通过滤波器输出三阶互调干扰三阶互调干扰镜像频率干扰镜像频率干扰重要的寄生通道干扰重要的寄生通道干扰什么是镜像频率？什么是镜像频率？后果如何？后果如何？消除镜像频率干扰的方法：不让镜频信号进入变频器消除镜像频率干扰的方法：不让镜频信号进入变频器前端滤波器滤除前端滤波器滤除滤波器实现难点？滤波器实现难点？射频滤波器通带做不窄射频滤波器通带做不窄解决方法解决方法:提高中频提高中频高高中频和中频和低低中频的利弊中频的利弊高中频高中频镜像频率远离有用信号，滤波容易镜像频率远离有用信号，滤波容易优点：优点：利于抗镜频干扰利于抗镜频干扰低中频低中频 相同相同Q值条件下，中频滤波器窄带值条件下，中频滤波器窄带优点：优点：利于选择信道、稳定的高增益利于选择信道、稳定的高增益两者兼顾最佳方案两者兼顾最佳方案超外差式超外差式二次混频二次混频方案方案选择选择中频中频兼顾兼顾两者两者中频选择依据中频选择依据1、根据抑制镜像通道的要求2、根据对中频干扰的抑制要求3、根据中频滤波器的可实现性4、根据抑制寄生通道干扰的要求二次变频方案二次变频方案中频选择原则中频选择原则IIII中频采用中频采用低低中频值，利于提取有用信道中频值，利于提取有用信道 抑制邻道干扰抑制邻道干扰I I 中频采用中频采用高高中频值，以提高镜象频率抗拒比中频值，以提高镜象频率抗拒比三个滤波器的三个滤波器的功能、中心频率与带宽功能、中心频率与带宽射频滤波器射频滤波器I I 中频中频 滤波器滤波器II II 中频中频 滤波器滤波器总增益总增益 低噪放增益低噪放增益 I I中频中频 增益增益 IIII中频中频 增益增益（主要增益级）（主要增益级）二次混频超外差接收机实例二次混频超外差接收机实例5.5.3 直接下变频方案直接下变频方案方案优点：不存在镜像频率，无镜频信号干扰 可用低通滤波器选择信道 易解决匹配、线性动态范围等问题方案缺点：本振泄露 低噪声放大器偶次谐波干扰 直流偏差5.5.3 镜频抑制接收方案镜频抑制接收方案5.3.5 数字中频方案数字中频方案5.5.4 发射机方案发射机方案发射机基本功能框图发射机的基本功能：1、调制2、上变频3、功率放大4、滤波直接变换法直接变换法两步变换法两步变换法5.5.5 无线电收发信机的性能指标无线电收发信机的性能指标GSM（Global System for Mobile Communications）主要性能：（1）发射频率：移动台发送 890915MHZ 基站发送 935960MHZ（2）双工间隔：45MHZ（3）载波信道间隔：200KHZ（4）多址方式：时分多址（TDMA）/频分多址（FDMA）（5）调制方式：最小偏移调制（GMSK）（6）信道比特率：42kbps5.5.5 发射机指标发射机指标5.5.5 发射机指标发射机指标5.5.5 接收机指标接收机指标（1）灵敏度（2）阻塞和杂散响应抑制（3）互调响应抑制（4）邻道干扰抑制（5）杂散辐射（1）灵敏度：（仅列举一个数据）静态102dBm，BER105（2）阻塞：113dBV（3）互调特性：70dBV（43dBm）（4）邻道抑制：70dBV（5）杂散辐射：9KHZ1GHZ20nW（47dBm）112.75GHZ20nW（47dBm）举例5.5.5 系统指标分配与计算系统指标分配与计算计算的内容计算的内容1、增益由前向后将各级的增益分贝数相加即可。2、噪声系数计算总噪声系数应由后向前逐级推算。3、三阶互调截点输入功率由后向前逐级推算。射频前端电路影响接收机整机指标的最重要的三项指标是：射频前端电路影响接收机整机指标的最重要的三项指标是：增益增益、噪声噪声和和三阶互调截点三阶互调截点。接收机各级指标计算