第七章模擬通信系統設計模擬通信系統分析設計中的三個主要問題：（1）調制性能分析與設計（方式選擇）（2）發射系統設計（效率、匹配問題）（3）接收系統設計（抗噪聲性能、接收性能分析）7.1模擬AM與FM系統抗噪聲性能分析BPF解調器BPF解調器且有為了衡量不同調制解調系統抗噪聲性能，定義一個系統指標：調制制度增益7.1.1AM系統抗噪聲性能根據推導（見教材P193-195），可得：1．DSB-AM系統：2．SSB-AM系統：上述結果是推導中SBB信號僅取了DSB的一個邊帶，故其平均功率減少了一半，如果兩種系統的解調器輸入為同樣的信號功率和噪聲功率，則二者的調制制度增益是相同的，因二者使用的都是同步檢波器。3．普通AM系統：在檢波器輸入信噪比情況下，有：結論：DSB-SC的AM系統與SBB-SC的AM系統具有相同的抗噪聲性能；普通AM系統的抗噪聲性能在模擬系統中是最差的。7.1.2FM系統抗噪聲性能限幅限幅BPF鑒頻器LPF均具有理想矩形濾波特性的BPF的帶寬Bf剛好等于FM波帶寬2(mf+1)fm；均具有理想矩形濾波特性的LPF帶寬B為fm；鑒頻采用“理想微分后取幅度包絡”的算法；信道噪聲為高斯白噪聲，單邊功率譜密度。問題：為什么FM系統具有遠大于AM系統的調制制度增益？現以單音調制為例說明。[1]調制制度增益描述了某種調制信號經過解調后，信噪比的改善程度，信噪比的改善與信號帶寬變化有很大關系。●AM波在其解調器輸入端的中頻信號帶寬為：●AM波在其解調器輸出端的基帶信號帶寬為：解調前、后的帶寬變化比為2。●FM波在其解調器輸入端的中頻信號帶寬為：●FM波在其解調器輸出端的基帶信號帶寬為：解調前、后的帶寬變化比為2(mf+1)。●就傳送同一基帶信號傳輸帶寬而言，FM波傳輸帶寬是AM波傳輸帶寬的(mf+1)倍。[2]假如：AM系統和FM系統解調器輸入端的單音普通AM波（設調幅系數m=1）和單音FM波（mf>>1）有相同輸入信噪比，即從而，可推出可以看出：(1)與AM比較，FM有的“帶寬換信噪比”的特性。(2)FM體制較AM傳輸體制具有更高的抗噪聲能力。(3)FM傳輸體制在鑒頻時有明顯的“門限效應”，AM傳輸體制沒有明顯的檢波門限效應。7.1.3鑒頻門限效應簡述FM接收機解調前的電路部分是一個帶通系統，進入鑒頻器的為：FM波+窄帶高斯噪聲，即其中：包含調制信號信息。注意到：上述信號與噪聲的疊加，屬于正弦矢量求和問題，合成信號的振幅與相位是FM信號與窄帶噪聲矢量求和的結果。OO2、當解調輸入為大信噪比，即：時，信號矢量合成此時，因信噪比很大，第二項(噪聲項)影響也很小，第一項(含信息)可獨立解調分離出來。4、當鑒頻器輸入信噪比很低時，即將上述圖中的矢量互換，即信號矢量合成為此時，沒有單獨存在的信息項，鑒頻器輸出幾乎完全由噪聲項決定，鑒頻器輸出信噪比將急劇下降，這種現象稱為鑒頻“門限效應”。由此可見，FM波的解調中，具有提升大信號、抑制小信號的特點。所以，FM接收機中常使用靜噪電路。7.2接收機中的干擾與噪聲7.2.1噪聲和干擾噪聲來源:內部:電阻熱噪聲,晶體管噪聲.外部:天線熱噪聲,宇宙噪聲.干擾來源:人為有意或無意干擾,天電干擾,工業干擾等.無論是干擾還是噪聲都給通信系統傳輸質量帶來負面影響,了解這種影響因素的機理是通信理論要研究的主要問題之一,也是通信工程中需要克服或抑制主要技術難題因素之一.1、電阻熱噪聲設單位電阻上的熱噪聲為，為一個隨機過程，且統計平均值和時間均值都是0，即電阻熱噪聲的均方值（時間均值）定義為根據中心極限定律，應該是符合高斯分布的，熱噪聲是一種零均值的高斯噪聲，是一種起伏噪聲。一個阻值為R的電阻上，產生的熱噪聲電壓均方值的熱力學計算公式為為玻爾茲曼常量；為熱力學溫度（開氏溫度）；B為測試設備的帶寬。在對電路進行噪聲定量分析時，對一個“有噪電阻”可以等效為一個“無噪電阻”與一個“噪聲均方電壓源”的串聯模型結構。（無噪電阻）（有噪電阻）2、晶體管（半導體）噪聲主要有：（1）熱噪聲：晶體管體電阻產生（2）散彈噪聲：載流子運動濃度不均勻造成PN結擴散電流的起伏變化所導致的噪聲，從統計特性上看，可近似看成白噪聲。（3）分配噪聲：由于晶體三極管基區載流子復合的隨機性起伏，從而導致射極電流和集電極電流產生起伏噪聲。（4）閃爍噪聲（1/f噪聲）：低頻段噪聲，其產生原因很復雜，說法不一，特點是其噪聲功率與頻率成反比。3、線性電路噪聲分析的基本思路首先建立電路網絡的噪聲模型：有噪電阻使用其噪聲模型，二極管、三極管也使用各自的噪聲等效電路。計算輸出噪聲功率：使用“疊加定理”將各噪聲電壓源的均方值折算到輸出，合成為總的輸出噪聲均方電壓（功率）計算輸入端噪聲功率：一般是將輸出噪聲均方電壓除以線性網絡正向傳遞的功率增益Ap，從而得到總的輸入噪聲均方電壓（功率）。7.2.2噪聲系數1.噪聲系數的定義噪聲系數是接收機的一個重要技術指標。定義一個線性電路網絡的噪聲系數為：接收機線性電路接收機線性電路網絡Ap2.噪聲系數的意義對于線性電路，輸入和輸出信號的帶寬不發生變化。此處的接收機是指的檢波器之前的電路部分（含高放、混頻、中放）。信噪比只能衡量信號質量，不能說明設備性能；若接收機（或線性網絡）內部不產生任何噪聲則滿足，也就是此刻，輸入信噪比等于輸出信噪比接收機（或線性網絡）內部必然產生噪聲假設：為接收機輸入端的外部(源)噪聲功率傳遞到輸出端的輸出噪聲功率；為接收機內部在輸出端產生的輸出噪聲功率。那么：總的輸出噪聲功率為傳遞到輸出端的外部噪聲功率傳遞到輸出端的外部噪聲功率內部產生輸出噪聲功率傳遞到輸出端的外部噪聲功率=●噪聲系數意義：描述的是實際接收機輸出噪聲功率較內部不產生噪聲的理想接收機輸出噪聲功率惡化的倍數。它與加到線性電路網絡輸入、輸出端的信號功率無關！它能體現線性接收系統的性能高低，而不像信噪比那樣僅能表示信號質量的高低。3.額定功率與額定功率增益（1）額定信號功率：源阻抗與網絡輸入阻抗電路網絡達到復共軛匹配，信號源可以輸出最大信號功率，稱之為電路網絡（2）額定噪聲功率：A．額定輸入噪聲功率：將信號源由源內阻熱噪聲源代替時，在達到復共軛匹配時，額定輸入噪聲功率為B．網絡額定輸出噪聲功率：同理，額定輸出噪聲功率為注意：額定噪聲功率只與溫度和通頻帶有關，與負載阻抗無關。4.無源二端口網絡噪聲系數計算所謂“無源網絡”是指網絡內部元件完全是無源電阻和電抗元件，其中：電阻元件產生熱噪聲，電抗元件不產生熱噪聲。僅考慮熱噪聲源、不考慮信號源的無源二端口網絡模型為：無源無源二端口網絡Apa（1）網絡輸入端和輸出端均處于復共軛匹配狀態時，網絡的功率增益稱為“額定功率增益”，記為Apa求無源二端口網絡噪聲系數，可由噪聲系數定義得：即：無源二端口網絡的噪聲系數為該網絡的額定功率增益的倒數。舉例：計算下列輸入、輸出復共軛匹配時的無源二端口網絡噪聲系數F解：設網絡輸入、輸出端均處于復共軛匹配狀態，則額定輸入、輸出噪聲功率分別為；又因為有關系式：注意：（1）網絡分析模型中雖然采用有噪電阻R1和R2的熱噪聲均方電壓源進行計算，但直接求網絡額定功率倒數就是F在前邊已經證明，這其中就已包含了網絡內部電阻熱噪聲的影響。（2）噪聲電路計算中，噪聲電壓不能進行加減運算，熱噪聲源必須采用均方電壓（即單位負載上的功率），這時的熱噪聲均方電壓是可以進行加減計算。（2）網絡輸入、輸出端阻抗均不匹配時可以在網絡輸入端與輸出端各引入一個“失配系數q”,。現以上邊的舉例問題為例說明，輸入噪聲功率為負載上的噪聲功率（含內部和外部噪聲）應為其中：【結果分析】：A．F=1時，說明網絡內部沒有噪聲；B．F>1部分全是網絡中電阻產生的熱噪聲，即內部噪聲。書上P208的例7-3中的二端口網絡中R2開路（），其最后求得的額定功率增益為顯然，它就是上邊F計算結果在時的極限值。顯然：求噪聲系數時，計算二端口網絡額定功率增益是最為關鍵的。5、級聯網絡的總噪聲系數計算該公式告訴了我們，接收機設計中，低噪聲設計的關鍵環節在前級。

7.2.3噪聲溫度網絡外部噪聲額定功率（一般是源電阻RA產生的熱噪聲）向網絡輸入的額定功率為這里的為實際溫度，一般默認為290K。網絡內部噪聲額定功率：因為與源阻抗、負載阻抗和網絡自身阻抗無關，可表為這里的稱為等效噪聲溫度，簡稱噪聲溫度。網絡的噪聲系數此刻定義為那么，網絡內部噪聲折合到輸入端的額定噪聲功率為等效噪聲溫度的物理含義：把網絡內部噪聲功率視為無內部噪聲理想網絡的信號源內阻在溫度時產生的熱噪聲。實際有噪線實際有噪線性無源網絡Ap理想無噪線理想無噪線性無源網絡Ap理想無噪理想無噪線性無源網絡Apa可見，求一個網絡的額定功率增益，應該是對無噪網絡求解，（注：負載電阻的溫度為室溫Te，無源網絡的功率增益<1。如果該網絡功率增益=1，只有一種可能，那就是沒有任何無源元件。所以，所謂額定功率增益是一種極限值。）這樣，描述網絡內部噪聲影響就有了兩個參數：噪聲系數（可以直接表示內部噪聲的大小）噪聲溫度（可以比較內、外噪聲的相對大小）F(倍)11.525F(dB)01.763.016.99Tn(K)01452901160以表格中F=2（3dB）為例，輸出負載上的額定噪聲功率中，由網絡外部（源內阻RA）和網絡內部（網絡阻抗）各自產生的噪聲功率各占一半；而內部噪聲功率可以折算到輸入端，等效為在290K時的另外一個等效的源內阻所產生的熱噪聲額定功率。【例題】已知：兩個線性放大器A、B，放大器A的（即1.12）；放大器B的（即1.21），求各自的噪聲溫度。解：【說明】雖然兩個放大器的噪聲系數都在1dB之內，似乎差異不大，但噪聲溫度數值卻差異明顯。因而，在內部噪聲小時用噪聲溫度衡量設備性能合適，而內部噪聲很大時，噪聲溫度數字過大，此時采用噪聲系數分析更合適。7.2.4接收機靈敏度接收機靈敏度定義：保證接收機輸出信噪比達到一定值時，接收機輸入端的最小有用信號功率，或者是輸入端匹配狀態下的的最小可檢測信號電壓值。計算公式為：式中，（）通常是所要求的中放輸出（檢波輸入）端的最小信號噪聲功率比。此時的最小可檢測電壓為式中，為與源內阻匹配的接收機輸入電阻。可參考教材P211的例7-4.舉例：無線電信號載頻，假定傳播路徑為自由空間，收發天線之間距離，接收機靈敏度為，發射社天線增益，接收天線增益，求發射機的最小發射功率？解：電波在自由空間傳播時，接收信號功率為路程損耗：（倍）即：實際地面環境下，信號傳播的質量還會受到收發天線架設高度、接收信號的反射、折射和散射等等多徑效應形成的快衰落，甚至是陰影的深度慢衰落的影響，還要考慮很大一部分“惡化量”，因此發射功率要加大很多。

7.3自動增益控制(AGC)簡介AGC(AutomaticGainControl)原理AGC通常在接收放大中使用，以保證在接收信號強弱變化懸殊(幾百微伏～幾百毫伏變化)的條件下，保持放大器輸出電平為某一設定值。后向AGC一般在接收機的高放或中放級使用，反饋控制量一般取自檢波輸出。高高放混頻低放中放檢波低通直放AGC延遲BackwardAGCNoAGCNoAGCSimpleAGCSimpleAGCDelayedAGCDelayedAGC10102030405060-35-10-20-3