噪声和非线性失真
什么是线性失真？什么是非线性失真？浅析无线通信的失真
什么是线性失真？什么是非线性失真？浅析无线通信的失真（信号）经过射频收发通道的时候，由于有加性噪声和乘性噪声引入，或多或少会对所传信号有一定程度的歪曲，这种情况就是无线信号的失真。
一般分为线性失真和非线性失真，下面介绍下各自的特点。
什么是线性失真线性失真（（Linear）Dist（or）（ti）on）是指在信号传输过程中，信号的幅度和相位发生了线性变化，导致信号的形状、幅度和相位发生改变的一种失真形式。
线性失真是（无线通信）系统中非常常见的一种失真形式，它会导致信号的质量下降，从而影响系统的性能。
线性失真通常是由信号在传输过程中受到不同的衰减和延迟引起的。
在信号传输的过程中，信号会经过一些介质，如空气、水或导线等，这些介质对信号的传播会产生不同的影响，例如折射、散射、反射等等。
这些影响会导致信号的幅度和相位发生变化，从而引起线性失真。
在无线通信中，（射频）器件输出的幅值变化特性和相位偏移特性对不同频率的输入有很大的不同。
很多射频信号，由很多不同的频率分量组成，输出端的合成信号在幅值和相位上与输入相比就会有一定程度的失真，类似下图：线性失真时，输出信号中不会有输入信号中所没有的新的频率分量，各个频率的输出波形也不会变化。
这种幅度的失真或者相位的失真是由该电路的线性电抗元件对不同频率的响应不同而引起的，所以叫线性失真。
由于是射频器件对不同频率的信号处理结果上的偏差，又叫频率失真。
线性失真主要是由（滤波器）等无源器件产生的。
在设计或选择无源射频器件的时候，要重点关注它的频率使用范围，在这个范围内对不同频率的信号输入和输出的线性关系应尽量一致，以减小线性失真的影响。
什么是非线性失真非线性失真（Nonlinear Distortion）是无线通信中一种常见的失真类型，它是指信号在传输过程中发生非线性变化而引起的失真。
这种失真与线性失真不同，线性失真是指信号传输过程中的线性衰减或衰减，这可以通过信号补偿来修复，而非线性失真则是无法通过简单的补偿来修复的。
有线电视系统载噪比和非线性失真分析
和分 配 ， 终 以 图像 形 式 显 示 在 用 户屏 幕 上 。在 这 复 最 杂 的传输 路 径 中 ， 必然 会 带 来 图像 质量 的损 伤 。这种 信 号 质量 的损 伤 可用 杂 波 和失 真 来 描述 。 中失 真又 其
按 照 其产 生 机 理 不 同 ，分 为线 性 失 真 和 非线 性 失 真 。
１ 载 噪 比和 信 噪 比
对有 用 信 号 而 言 ， 有 窜 进来 的无 用 且 有 害信 号 所 统 称 为 杂波 。从 有 害信 号 的窜 入 途 径 来 分类 ， 杂波 又 可 分 为干 扰 和 噪声 。干 扰 来 自系 统外 部 ， 天 电干 扰 如 以及 工业 干 扰 、 台干 扰 等 由人 为原 因形 成 的 电磁 干 电
（）（ ｄ ２ Ｂ ）
由于 载 噪 比 的 实 际 测 量 是 用 选 频 电 平 表 或 频 谱
扰 。对 付外 来 干 扰 ， 采 用 屏 蔽 和滤 波 等 各 种 有效 措 可 施 使 之影 响最 小 ， 在此 我 们 不 作讨 论 。至 于 系 统 内部
的寄 生 振 荡 和非 线 性 失 真 产 物 也 会 对 正 常 图像 形 成 杂 波 ， 前 者属 于 设 备故 障 ， 可 以 排 除 的 。 者则 为 但 是 后
人 眼 感 觉 的损 伤 程 度
不 能 觉 察
视 频 信 噪 比（Ｂ ｄ）
— —
４． ５５
有线 电视 系 统 的 这 种 随 机噪 声 ， 图像 上 表 现 为 在 杂 乱 的小 亮 点 或 小 黑 点 ，稍 重 就 成 为 雪 花 点 干扰 ， 再
可 觉 察 ， 不 讨 厌 但 明 显 觉 察 ． 讨 厌 稍 很 显 著 ， 人 讨 厌 令 极 显 著 ， 法 收 看 无
什么是电路的失真
什么是电路的失真电路的失真是指信号在经过电路传输或处理过程中，与原始信号存在差异或变形的现象。
失真会使得信号的频率、振幅、相位等特性发生改变，最终影响到信号的质量和准确性。
一、失真的种类1. 线性失真：线性失真是指信号在经过电路传输过程中，频率分量之间的振幅比例发生变化，但各个频率间的相位关系保持不变。
常见的线性失真包括：(1) 幅频响应失真：电路对不同频率的信号传输时，对于不同频率分量的衰减程度不同，导致信号的振幅频率特性发生变化。
(2) 相频响应失真：电路对不同频率的信号传输时，对于不同频率分量的相位关系的延迟或提前程度不同，导致信号的相位频率特性发生变化。
2. 非线性失真：非线性失真是指信号在经过电路传输过程中，频率分量之间的相位关系发生变化。
非线性失真主要包括：(1) 温度失真：电路中的非线性元件在工作温度变化过程中，导致传输函数随温度的变化而变化，使得信号发生失真。
(2) 非线性失真：电路元件的非线性特性导致输入信号的非线性变化，进而使得输出信号出现失真，如非线性电阻、非线性电容等。
二、失真的原因1. 信号传输介质的限制：传输介质如电线、光纤等存在信号传播速度的限制和频率响应的限制，会导致信号在传输过程中出现失真。
2. 电路元件的非理想特性：电路中实际使用的元件往往会存在非线性特性或其它不完全理想的特性，导致信号在经过这些元件时出现失真。
3. 电源的干扰：电路中的电源存在噪声、纹波等问题，这些问题会通过电源传给电路，影响信号的准确传输，导致失真现象的发生。
三、失真的影响1. 降低信号的质量：失真会导致信号振幅、相位等特性发生变化，进而使得信号的质量下降，无法准确反映原始信号的特征。
2. 误导信号的解读：失真会导致信号的频谱特性变化，可能使得信号在接收端解读时出现错误，误导对信号的分析和判断。
3. 影响系统的稳定性：失真的存在可能导致系统的不稳定性，使系统无法正常工作，造成设备损坏或功能故障。
射频电路设计技术第六章资料
第6章 噪声与 非线性失真
• 评价一个射频系统性能的优劣时，有两 个很重要的指标： （1）噪声系数 （2）非线性失真 当一个系统处于小信号工作时，其许多 性能指标都与噪声有关；当信号增大时， 二极管和晶体管都存在非线性失真。
6.1 噪 声 系 数
• 噪声系数定义为输入信噪功率比(SNR)i Si / Ni 与输出信噪功率比 (SNR)o So / No 的比值：
6.4 交 调 失 真
• 在由各种有源器件构成的线性放大器中， 由于有源器件的特性是非线性的，在放 大过程中总会产生各种各样的失真。 • 讨论有源器件非线性特性对线性放大器 的影响，可分为两种不同的情况： 一是电路输入端只有一个有用信号输入 时； 二是输入端除有用信号外，还输入一个 或多个信号的情况。
• 这些组合频率分量形成对有用信号的干 扰。这些干扰并不是由两输入信号的谐 波产生，而是由这两个输入信号的相互 调制（相乘）引起的，所以称为互相调 制失真，又称为互调失真。
• 可在下面两个指标中选一个来衡量放大 器的互调失真程度： （1）互调失真比 （2）三阶互调截点
• 5.三阶互调截点 若忽略增益压缩，则基波分量幅度为 ， a1V 互调失真比 IMR定义为在输入信号幅度 为V时，三阶互调分量的幅度与基波幅 3 度之比： a3V 3
• 6.估计IIP3的几种方法 （1）求IIP3的一种方法是通过瞬态模拟， 使两个幅值相等频率近似相同的正弦输 入信号驱动该放大器。当输入幅值改变 时计算交调，并比较输出频谱中的三次 相互调制乘积项及基波项。 （2）采用功率级数两个系数的比可计算 出三阶交调的简单表达式，并且可推导 出另一种适合于手工计算的方法。
P
• 则无杂散动态范围定义为：
DRf Pin, max Pin, min
分析有线电视系统中各种信号失真及干扰
分析有线电视系统中各种信号失真及干扰近年来我国有线电视事业快速发展，有线电视已经普及到千家万户，但是，随着时间的不断推移，有线电视系统中出现了各种信号失真及干扰的情况，本文结合笔者在实际工作中的经验，分析了有线电视系统中各种信号失真及干扰的产生的原因及解决办法。
标签：有线电视信号失真干扰0 引言失真：就是输出波形与输入波形不完全一致。
干扰：是由于外部无用信号进入了系统或系统内部产生了无用信号，无用信号对有用信号产生干扰。
模拟有线电视传输系统中，失真和干扰是不可避免的。
失真分为线性失真和非线性失真。
线性失真：是由于电路的幅频特性和相频特性不均匀，造成各频率信号的比例失调，并不产生新的频率成分，即没有无用信号产生。
非线性失真：是由放大器之类的非线性元件产生的，信号通过时不仅使各频率分量的幅度和相位发生变化，而且产生了新的频率成分，对有用信号产生干扰。
有线电视系统中，线性失真和非线性失真都不可避免，但非线性失真表现得最为严重。
1 邻频传输系统中非线性失真产生的干扰交调干扰：是其他频道信号叠加到所需频道上，出现窜像干扰，屏幕上表现为负像。
由干扰频道同步信号反转形成的一条白色宽竖条纹左右移动，类似于汽车雨刷移动，故也称雨刷干扰，交调干扰严重时可看到干扰频道的反转图像。
在系统中各频道间都有相互的交调干扰，但一般是电平高的频道对电平低的频道干扰较为严重。
互调干扰：是频道间或频道内各频率成分相互差拍或倍频，产生新的频率成分，造成网纹干扰。
交调干扰、互调干扰都是由于放大器的非线性引起。
交调干扰没有新的频率成分产生，表现为雨刷干扰。
互调干扰则产生了新的干扰频率，表现为网纹干扰。
出现非线性失真时要检查系统中有源器件是否损坏或超出其工作电平。
按次序重点检查：①各级放大器输出电平，保证在105d bμv以下。
②光接收机输出电平，保证在105dbμv以下。
③光接收机入射光功率，普通接收机保证在-2dbm至-3dbm之间，超强接收机保证在-4dbm至-7dbm之间。
02噪声与非线性失真
Te Te1
结论： 1. 系统前级、特别是第一级的噪声系数对系统影响最大
2. 增大第一级的增益可以减少后级对系统噪声系数的影响
非线性器件的描述方法
大信号时会引起失真
非线性器件
能完成频谱搬移各种功能
非线性器件工作状态的几点讨论 不满足叠加定理的系统是非线性系统。 非线性器件的特性是非直线型的。
的两个噪声源来等效：
一个和信号源串联的噪声电压源 Vn2 一个和信号源并联的噪声电流源 I n2
等效
其中：
V n2
2 In
输入端短路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值
输入端开路，将有噪网络的输出噪声功率等效到输入端的值
等效噪声源的计算步骤
(1) 将线性网络中的所有元件均用其噪声等效电路代入。 (2) 计算出所有的噪声源在系统输出端的噪声功率总和 Vn ,o 。 (3) 求等效输入噪声电压源 Vn2
2 2. 等效电路 串联—— 无噪电阻R串噪声电压源 V n
并联——无噪电阻R并噪声电流源 I n2 3. 有噪电阻的串并联
4. 额定噪声功率
条件: 噪声源与系统匹配 与噪声源电阻R大小无关
NA
Vn2 4kTRB NA kTB 4R 4R
B
与噪声源温度有关
双极型晶体管的噪声
主要噪声来源
2
S
输入信噪比 ( SRN )i 输出噪声功率 输出信噪比 (SRN )o
2 内部噪声源 V n 和 I n
信号源 VS
输出信号功率
2 2 ( SNR)i VRS (Vn I n RS ) (Vn I n RS ) 2 F 1 ( SNR)o 4kTRS B VR2S
例2.3.1：图示的两端口网络只是一个电阻，求该网络的噪声系数。 解: 根据公式
三角波发生电路的非线性失真及噪声分析
三角波发生电路的非线性失真及噪声分析一、引言三角波发生电路是一种常用的电路，在各种电子设备中广泛应用。
然而，由于电子元件的非线性特性和电路本身的噪声，三角波发生电路可能会出现非线性失真和噪声问题。
本文将对三角波发生电路的非线性失真和噪声进行分析。
二、非线性失真分析非线性失真是指当输入信号经过电路时，输出信号与输入信号不再是简单的线性关系。
在三角波发生电路中，常见的非线性失真包括谐波失真和交叉失真。
1. 谐波失真谐波失真指输出信号中包含了原始信号频率的整数倍的谐波成分。
这种失真在三角波发生电路中常常导致输出波形出现“尖角”或“平顶”现象。
谐波失真是由于电路中的非线性元件（如晶体管）导致的。
解决谐波失真可以采取以下几种方法：- 选择线性度较好的元件，如高精度晶体管；- 控制电路中的偏置，使其在可靠工作范围内；- 采用反馈电路来补偿谐波失真。
2. 交叉失真交叉失真是指在三角波发生电路中，当多个输入信号同时存在时，输出信号中会出现两个或多个信号频率相加（或相减）的交叉谐波成分。
这种失真在多通道音频设备等中经常出现。
解决交叉失真可以采取以下几种方法：- 使用高品质的运放和准线性元件；- 控制电路中的偏置，以提高线性度；- 增加对输入信号的滤波，减小干扰源；- 使用更高阶的滤波器来抑制交叉失真。
三、噪声分析噪声是指三角波发生电路中存在的不希望的杂散信号。
噪声可以来自电源、元件本身以及外界干扰等因素，影响着信号的准确性和质量。
常见的三角波发生电路噪声包括：- 热噪声：由于温度引起的电子元件内部的热扰动；- 1/f 噪声（也称为低频噪声）：与频率成反比，一般在较低频率范围内出现；- 尖峰噪声：由于电源干扰、元件不稳定性或传输线路等原因造成的瞬时尖峰。
降低噪声的方法主要有：- 使用低噪声电源，如稳压器等；- 选择低噪声元件，如低噪声放大器；- 优化电路布局，减小干扰源；- 采用滤波电路来削弱特定频带的噪声。
四、结论本文对三角波发生电路的非线性失真和噪声进行了分析，并提出了一些解决这些问题的方法。
2.4电子噪声2.5非线性失真
DR(dB)=pin－dB －MDS 线性动态范围常用于功率放大器中。
2.5.3改善非线性失真的措施
功率回退法
1. 放大器的线性化技术
前馈法
预失真法
2. 提高接收机线性度的措施
思考题与习题
2-1,2-2,2-3，2-5,2-11（区分各种非线性失真）
二次谐波失真
三次谐波失真
全部谐波的有效值与基波幅度之比称为全谐波失真 系数，记为THD (Total Harmonic Distortion)。
3. 阻塞干扰
若输入信号 ui=U1 cosω1t+U2 cosω2t
uo
a0
a2 2
(U12
U
2 2
)
a1U1
3 4
a3U13
3 2
1. 电阻热噪声
由于导体和电阻中存在大量自由电子， 这些自由电子将作不规则的热运动，大量电 子的热运动就会在电阻两端产生起伏电压 （电势），这种因热运动而产生的起伏电压 就称为电阻的热噪声。
2.4.3 噪声系数
基本概念 信号功率 (Signal):信号能量大小； 噪声功率 (Noise) :噪声能量大小； 信号噪声功率比（SNR）:用以衡量信号质量；
噪声（狭义）：是指由与电路或系统内部产生的各种无用信 号或电磁骚动的总称。（内部噪声）
抑制外部干扰的主要措施包括：消除干扰源、切断干扰传播 途径和躲避干扰等。
失真 信号通过电路后与输入信号不完全相同的现象
线性失真：不产生新的频率分量
非线性失真：产生新的频率分量
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交于一点，交点就是3阶截断点，用IP3 表示。
P2ω1 -ω2
P3 ω1
OIP32
可见 OIP3 越高，在相同的输入电 平下P2ω1 -ω2越小，系统线性度越好。
非线性器件的3阶截断点
12
§6.2 射频电路中的非线性失真
与一个无噪电阻的串联，或视为一个等效噪声电流源与一个 无噪电阻的并联，如图所示：
电压源的均方值为： Vn2 4kTBR
电流源的均方值为：
I
2 n
4kTB
R
k 为玻尔兹曼常量，k 1.37 10-23 J / K
B为测量噪声时的带宽。 T为热力学温度。
电阻热噪声等效电路
电阻热噪声与热力学温度无关，所以为白噪声。
本章目录
❖第一节 射频电路中的噪声 ❖第二节 射频电路中的非线性失真 ❖第三节 灵敏度与动态范围 ❖第四节 无线通信收发链路性能指标分析
1
知识结构
射频电路 中的噪声
噪声的分类 二端口网络的等效噪声温度和噪声系数
二端口网络级联链路的噪声系数 无线通信系统中的噪声抑制
噪 声
射频电路中
非线性网络级联链路的3阶交调截点
非线性失真的现象有：增益压缩、交调失真、阻塞干扰、和 交叉调制等几种。
1、增益压缩
电压增益为：
Gv
a1V0
3 4
a3V03
V0
a1
3 4
a3V02
由于a3 一般为负值，对于大的
信号幅度V0 ，就会出现增益压 缩或饱和的现象。
有源器件1dB压缩点
1dB压缩点：实际输出功率比理想输出功率下降1dB的电平点， 它可以指定为输入功率或输出功率。
B为带宽
No 网络输出噪声功率
线性网络的等效噪声温度
7
§6.1 射频电路中的噪声
2、等效噪声温度与噪声系数的关系
接有信号源和负载的有噪网络
噪声系数的定义：
F Si / Ni So / No
Si是输入信号，N i 是输入噪声功率，S o是输出信号，N o是输出噪声功率。
F Si KGB(To Te ) 1 Te
和 非
的非线性失真
无线通信系统中非线性失真的抑制方法
线
性
失
灵敏度与
真
动态范围
灵敏度 动态范围
无线通信收发 链路性能指标分析
2
系统链路指标分配原则及计算
§6.1 射频电路中的噪声
6.1.1 噪声分类
电路内部噪声主要来源：电阻热噪声和半导体器件噪声。
1、电阻热噪声
计算电阻噪声时可将有噪电阻视为一个等效噪声电压源
P2 N2 GkT2B GkTeB
Y因子定义为：
Y N1 T1 Te 1 N2 T2 Te
测量等效噪声温度的Y因子法
通过Y因子和已知的两个匹配负载噪声温度,就可以得到网络 的
等效噪声温度为：
Te
T1 YT2 Y 1
9
§6.1 射频电路中的噪声
6.1.3 二端口网络级联链路的噪声系数
3
§6.1 射频电路中的噪声
2、二极管的噪声 （1）散粒噪声。在二极管中，由于通过PN结时载流子的随机 注入和随机复合，使真实的结电流是围绕平均电流 I0 随机起伏 的，由这种随机起伏产生的噪声称为散粒噪声，其电流噪声均 方值与PN结的直流电流 I0成正比。 功率谱密度可表示为： SI 2qI0
双极型三极管的等效噪声
5
§6.1 射频电路中的噪声
4、场效应晶体管的噪声 (1) 沟道电阻产生的热噪声。处于线性电阻工作区的场效应晶
体管等效为一个压控电阻，其噪声表现为电阻热噪声。忽略栅
极电流时，此沟道电阻产生的热噪声可等效为一个并联于漏极
－源极间的噪声电流源，故也称之为漏极电流噪声.
其均方电流可表示为：
其中q为电子电量（ q 1.6 10-19 C），I0 为流过PN结的电流。
（2）闪烁噪声。由于半导体材料及制造工艺水平造成表面 清洁处理不好而引起的噪声。
4
§6.1 射频电路中的噪声
3、双极型三极管的噪声
(1) 基极电阻rbb等分布电阻产生的热噪声，可等效为串联
的噪声电压源。 (2) 散粒噪声。在晶体三极管中有发射极和集电极两个PN 结， 这两个PN结都会产生散粒噪声。 (3) 分配噪声。在双极型三极管中，发射结的载流子，大部 分形成集电极的传输电流，只有少部分被基极的相反极性的 载流子复合，产生基极电流。由于这个复合过程是随机的， 导致基极和集电极电流之间的分配比例也是随机变化的，这 就产生了分配噪声。 (4) 闪烁噪声。双极型三极 管在高频应用时，这种噪声 通常可以忽略。
kTo B
GSi
To
Te (F 1)T
8
§6.1 射频电路中的噪声
3、等效噪声温度的测量
Y因子法测量等效噪声温度的过程是，将待测网络先后连接到 两个处于不同环境温度（假设 T1 T2）的匹配负载上，分别测出 输出功率 P1 为和 P2 ，它们可用下式表示：
P1 N1 GkT1B GkTeB
11
§6.2 射频电路中的非线性失真
2、交调失真
3阶交调失真：由22 1和 21 2 这种交调信号引起的失真。 3阶截断点：当输入功率增大到一定程度时，基波和3阶交调
分量都会出现压缩现象。在两者出现功率压缩前，以基波和
3阶交调分量理论斜率画出两条随输入功率变化的理想直线。
由于两条理想直线有不同的斜率，两者会在压缩点的上方相
等效噪声温度：
Tcas
Te1
1 G1
Te2
噪声系数：
Fcas
F1
1 G1
(F2
1)
推广到多级级联的情况： 级联电路的噪声系数和等效噪声温度
1
11
Tcas Te1 G1 Te2 G1 G2 Te3
1
1
Fcas F1 G1 (F2 1) G1G2 (F3 1)
10
§6.2 射频电路中的非线性失真
I
2 n,d
4kTB gm
其中 为工艺系数，通常取2/3。
(2)噪声。 场效应晶体管的等效噪声
（3）闪烁噪声。场效应管中的闪烁噪声同样是由工艺原因造 成，主要是由于氧化膜与硅接触面的不光滑等引起。其功率谱 密度与频率的倒数成正比，为：
K1 SV WLCOX f
6
§6.1 射频电路中的噪声
6.1.2 二端口网络的等效噪声温度和噪声系数 1、等效噪声温度
对于一个有噪电路，如果它产生的噪声是白噪声，则可以在网 络输入端用一个温度为Te 的电阻所产生的热噪声来替代，而把 原来的电路网络看作无噪的。温度Te 称为该电路网络的等效噪 声温度。
Te
No kBGP
GP为网络功率增益