第三章+数字微波的收发信设备.docx

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第三章+数字微波的收发信设备

第三章数字微波的收发信设备

本章重点：

发信设备的组成

发信设备的主要技术指标

收信设备的组成

收信设备的技术指标

热噪声的产生原因

噪声系数的讨论

组合网络的噪声系数

难点：

加装FET放大器对噪声系数的影响

第一节发信设备的组成与主要性能指标

本节主要内容：

发信机的组成及各部分的功能

发信机的主要技术指标

一、发信设备的组成

从目前使用的数字微波通信设备来看，分为直接调制式发信机（使用微波调相器）和变频式发信机。

中小容量的数字微波设备可用前一种方案。

而大容量的数字微波设备大多采用变频式发信机，这是因为这种发信机的数字基带信号调制是在中频上实现的，可得到较好的调制特性和较好的设备兼容性。

下图是一种典型的变频式发信机为例加以说明。

中频已调信号

分路滤波

输出功放

微波功放

发信混频

滤波器

单向器

中放

发信本振

自动电平控制

公务信号

变容管调频

变频式发信机方框图

由调制机或收信机送来的中频已调信号经发信机的中频放大器放大后，送到发信混频器，经发信混频，将中频已调信号变为微波已调信号。

由单向器和滤波器取出混频后的一个边带（上边带或下边带）。

由功率放大器把微波已调信号放大到额定电平，经分路滤波器送往天线。

微波功放及输出功放多采用场效应晶体管放大器。

为了保证末级功放的线性工作范围，避免过大的非线性失真，常用自动电平控制电路使输出维持在一个合适的电平。

图中的公务信号采用复合调制方式来传送的，这是目前数字微波通信常用的一种传送方式。

它是把公务信号通过变容管实现对发信本振浅调频的。

可见这种调制方式设备简单，在没有复用设备的中继站也可以上、下公务信号。

二、发信设备的主要性能指标

1．工作频段

微波的射频频率为0.3~300GHz，目前微波通信使用的频率为1GHz~40GHz，工作频率越高，越能获得较宽的通频带和较大的通信容量，也可得到更尖锐的天线方向性和天线增益。

但是当频率较高时，雨、雾及水蒸气对电波的散射或吸收衰耗增加，造成电波衰落和收信电平下降。

这些影响对12GHz以上的尤为明显。

目前微波通信常用的波段在第一章中已经讲过。

2．输出功率

输出功率是指发信机输出端口处功率的大小。

输出功率的确定与设备的用途、站距、衰落影响及抗衰落等因素有关。

由于数字微波通信比模拟微波有较好的抗干扰性能，故在要求同样的通信质量时，数字微波的输出功率可以小些。

当用场效应管功率放大器作末级输出时，一般为几十毫瓦到1瓦左右。

3．频率稳定度

发信级的每个工作波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示。

工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。

设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为Δf，则频率稳定度的定义式为：

（3-1）

式中K为频率稳定度。

对于采用PSK调制方式的数字微波通信系统而言，若发信机工作频率不稳，即有频率漂移，将使解调的有效信号幅度下降，误码率增加。

对于PSK调制方式，要求频率稳定度为（1~2）×10-6。

第二节收信设备的组成与主要性能指标

本节主要内容：

收信设备的组成及各部分的功能

收信设备的主要技术指标

一、收信设备的组成

数字微波的收信设备和解调设备组成了收信系统，这里所讲的收信设备只包括射频和中频两部分。

解调部分已在第二章讲过。

本振

中频输出

合

成

自适应滤波

主

中

放

检出控制器

移相

上图是一个有空间分集接收的收信设备组成方框图。

分别来自上天线和下天线的直射波经各种途径（多径传播）到达接收点的电波，经过两个相同的信道：

带通滤波器、低噪声放大器、抑镜滤波器、收信混频器、前置中放，然后进行合成，再经主中频放大器后输出中频已调信号。

本方框图中画出的是最小振幅差分合成分集结收方式。

下天线的本机振荡源是由中频检出的控制电压对移相器进行相位控制的，以便抵消上、下天线收到多经传播的干涉波，改善带内失真，获得最好的抗多径衰落效果。

为了更好地改善因多径衰落造成的带内失真，在性能较好的数字微波收信机中还要加入中频自适应均衡器，使它与空间分集技术配合使用，可最大限度地减少通信中断的时间。

图中的低噪声放大是砷化镓场效应晶体管放大器，这种放大器的低噪声性能很好，并能使整机的噪声系数降低。

由于FET放大器是宽频带工作的，所以其输出信号的频率范围很宽，因此在FET放大器的前面要加带通滤波器，其输出要加装抑制镜像干扰的抑镜滤波器，要求对镜像频率噪声的抑制度为13~20dB以上。

二、收信设备的主要性能指标

1.工作频段

收信机是与发信机配合工作的，对一个中继段而言，前一个微波站的发信频率就是本收信机同一波段的收信频率。

2.收信本振的频率稳定度

接收的微波射频的频率稳定度是由发信机决定的。

但是收信机输出的中频是收信本振与收信微波射频进行混频的结果，所以若收信本振偏离标称值较多，就会使混频输出的中频偏离标称值。

这样，就使中频已调信号频谱的一部分不能通过中频放大器，造成频谱能量的损失，导致中频输出信噪比下降，引起信号失真，使误码率增加。

对收信本振频率稳定度的要求与发信设备基本一致，通常要求（1~2）×10-5，要求较高者为（1~2）×10-6。

收信本振和发信本振常采用同一方案，是两个独立的振荡源，收信本振的输出功率往往比发信本振小些。

3.噪声系数

数字微波收信机的噪声系数一般为3.5~7dB，比模拟微波收信机的噪声系数小5dB左右。

噪声系数是衡量收信机热噪声性能的一项指标，它的基本定义为：

在环境温度为标准室温（17°C）、一个网络（或收信机）输入与输出端在匹配的条件下，噪声系数NF等于输入端的信噪比与输出端信噪比的比值，记作

（3-2）

设网络的增益系数为

，因输出端的噪声功率是输入端的噪声功率（被放大G倍）与网络本身产生的噪声功率两部分组成，可写为

用上面的关系式，可把公式（3-2）改写为

（3-3）

由公式（3-3）可以看出，网络（或收信机）的噪声系数最小为1（合0dB）。

NF=1说明网络本身不产生热噪声，即P网=0，其输出端的噪声功率仅有输入端的噪声所决定。

实际的收信机不可能NF=1，即NF>1。

式（3-3）说明，收信机本身的热噪声功率越大，NF就越大。

收信机本身的噪声功率要比输入端的噪声功率经放大G倍后的值还要大很多，根据噪声系数的定义，可以说NF是衡量收信机热噪声性能的一项指标。

4.通频带

收信机接收的已调波是一个频带信号，即已调波频谱的主要成份要占有一定的带宽。

收信机要使这个频带信号无失真的通过，就要具有足够的工作频带宽度，这就是通频带。

通频带过宽，信号的主要频谱成份当然都会无失真地通过，但也会使收信机收到较多的噪声；反之，通频带过窄，噪声自然会减小下来，但却造成了有用信号频谱成份的损失，所以要合理地选择收信机的通频带和通带的幅频衰减特性等。

经过分析可认为，一般数字微波收信设备的通频带可取传输码元速率的1~2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。

5.选择性

对某个波道的收信机而言，要求它只接收本波道的信号，对邻近波道的干扰、镜像频率干扰及本波道的收、发干扰等要有足够大的抑制能力，这就是收信机的选择性。

收信机的选择性是用增益—频率（G~F）特性表示的。

要求在通频带内增益足够大，而且G~F特性平坦；通频带外的衰减越大越好；通带与阻带之间的过渡区越窄越好。

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放大器的集中滤波器来保证的。

6.收信机的最大增益

天线收到的微波信号经馈线和分路系统到达收信机。

由于受衰落影响，收信机的输入电平在随时变动。

要维持解调机正常工作，收信机的主中放输出应达到所要求的电平，例如要求主中放在75Ω负载上输出250mV。

但是收信机的输入端信号是很微弱的，假设其门限电平为-80dBm，则此时收信机输出与输入的电平差就是收信机的最大增益。

对于上面给出的数据，其最大增益为79.2dB。

这个增益要分配到FET低噪声放大器、前置中放和主中放各级放大器，是由他们的增益之和达到的。

7.自动增益控制范围

以自由空间传播条件下的收信电平为基准，当收信电平高于基准电平时，称为上衰落；低于基准电平时，称为下衰落。

假定数字微波通信的上衰落为+5dB，下衰落为-40dB，其动态范围（即收信机输入电平变化范围）为45dB。

当收信电平变化时，若仍要求收信机的额定输出电平不变，就应在收信机的中频放大器内设有自动增益控制（AGC）电路，使之当收信电平下降时，中放增益随之增大；收信电平增大时，中放增益随之减小。

根据上面假定的数据，本例中AGC范围为45dB。

第三节对热噪声和收信系统噪声系数的讨论

本节主要内容：

热噪声的产生原因和性质

热噪声的大小

收信机噪声系数的讨论

组合网络的噪声系数

难点：

加装FET放大器对噪声系数的影响

热噪声是通信系统中的一种主要噪声，系统中的所有部位都会产生热噪声。

由于收信机输入的信号很微弱，以信噪比的观点来看，从收信机入口算起前几级电路的影响就显得尤为重要了。

一、热噪声的产生及其性质

热噪声的来源很多，对收信机而言，最主要的是电阻热噪声。

电阻热噪声是电阻体内自由电子的热运动引起的。

因为电子的运动可以形成电流，而当电子之间发生碰撞时就会产生电流脉冲，所处的环境温度愈高，这种碰撞就愈频繁。

因此，在电阻体内两端就表现出一个波形极其复杂的交流电压—这就是电阻热噪声。

由于电阻热噪声是短脉冲形成的，所以它的频谱很宽，而且频谱是连续和均匀分布的，可高达1012~1013Hz，几乎覆盖了所有的无线电频谱，所以我们又把这种噪声称为白噪声。

电路中除电阻元件能产生热噪声以外，晶体管中的节电阻和体电阻等也能产生热噪声。

此外，晶体管内部载流子（电子或空穴）流的大小随机起伏变化可产生散弹噪声；极间电流分配的随机性可引起分配噪声。

这些噪声都具有白噪声的频谱，并划归为热噪声。

二、网络输入端热噪声的分析

首先从电阻热噪声谈起。

一个有热噪声的电阻可以等效为一个无热噪声的电阻R和一个噪声电压源en的串联，如下图所示。

噪声源              噪声源与负载的连接

理论和时间都证明，由电阻R产生的热噪声的频谱极宽，并均匀连续，如果给定频带B，则在B内等效噪声源的电压均方值可表示为

（3-4）

式中K为波尔兹曼常数，等于1.38×10-23（W/Hz·K），T为绝对温度，0°C相当于273K，T0为标准室温时的绝对温度，T0=290K，相当于标准室温17°C

（W/Hz）

B为噪声频带（Hz），由负载或网络通频带决定。

如果将噪声源与负载阻抗ZL连接，如上图虚线左边所示，则在负载上得到的热噪声功率为P