雷达接收机技术基本理论.pptx
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1、第2章 雷达接收机的基本理论 内容内容1.1.噪声特性;噪声特性;2.2.采样定理;采样定理;3.3.频率稳定度。频率稳定度。1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 1 1)噪声的概率特性噪声的概率特性 1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 1 1)噪声的概率特性噪声的概率特性 1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 1 1)噪声的概率特性噪声的概率特性 1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 1 1)噪声的概率特性噪声的概率特性 1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 1 1)噪声的概率特性噪声的概率特性 (1)电阻热噪声电阻热噪声 它它是
2、是由由于于导导体体中中自自由由电电子子的的无无规规则则热热运运动动形形成成的的噪噪声声。因因为为导导体体具具有有一一定定的的温温度度,导导体体中中每每个个自自由由电电子子的的热热运运动动方方向向和和速速度度不不规规则则地地变变化化,因因而而在在导导体体中中形形成成了了起起伏伏噪噪声声电电流流,在在导导体体两两端呈现起伏电压。端呈现起伏电压。根据奈奎斯特定律根据奈奎斯特定律,电阻产生的起伏噪声电压均方值电阻产生的起伏噪声电压均方值(3.2.1)1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 2 2)接收机的噪声和噪声系数接收机的噪声和噪声系数式式中中,k为为玻玻尔尔兹兹曼曼常常数数,k=1.3
3、810-23J/K;T为为电电阻阻温温度度,以以绝绝对对温温度度(K)计计量量,对对于于室室温温17,T=T0=290K;R为为电电阻阻的的阻阻值值;Bn为为测试设备的通带。测试设备的通带。式式(3.2.1)表表明明电电阻阻热热噪噪声声的的大大小小与与电电阻阻的的阻阻值值R、温温度度T和和测试设备的通带测试设备的通带Bn成正比。成正比。电电阻阻热热噪噪声声的的功功率率谱谱密密度度p(f)是是表表示示噪噪声声频频谱谱分分布布的的重重要要统统计特性计特性,其表示式可直接由式其表示式可直接由式(3.2.1)求得求得 p(f)=4kTR(3.2.2)显显然然,电电阻阻热热噪噪声声的的功功率率谱谱密密度
4、度是是与与频频率率无无关关的的常常数数。通通常常把把功功率率谱谱密密度度为为常常数数的的噪噪声声称称为为“白白噪噪声声”,电电阻阻热热噪噪声声在在无无线电频率范围内就是白噪声的一个典型例子。线电频率范围内就是白噪声的一个典型例子。图3.7 噪声带宽的示意图 噪声带宽噪声带宽 功率谱均匀的白噪声,通过具有频率选择性的接收线性系统后,输出的功率谱pno(f)就不再是均匀的了,如图3.7的实曲线所示。为了分析和计算方便,通常把这个不均匀的噪声功率谱等效为在一定频带Bn内是均匀的功率谱。这个频带Bn称为“等效噪声功率谱宽度”,一般简称“噪声带宽”。因此,噪声带宽可由下式求得:(3.2.7)即 式中,H
5、2(f0)为线性电路在谐振频率f0处的功率传输系数。(2)天线噪声天线噪声 天天线线噪噪声声是是外外部部噪噪声声,它它包包括括天天线线的的热热噪噪声声和和宇宇宙宙噪噪声声,前前者者是是由由天天线线周周围围介介质质微微粒粒的的热热运运动动产产生生的的噪噪声声,后后者者是是由由太太阳阳及及银银河河星星系系产产生生的的噪噪声声,这这种种起起伏伏噪噪声声被被天天线线吸吸收收后后进进入入接接收收机机,就就呈呈现现为为天天线线的的热热起起伏伏噪噪声声。天天线线噪噪声声的的大大小小用用天天线线噪噪声声温温度度TA表示表示,其电压均方值为其电压均方值为 式中式中,RA为天线等效电阻。为天线等效电阻。天天线线噪
6、噪声声温温度度TA决决定定于于接接收收天天线线方方向向图图中中(包包括括旁旁瓣瓣和和尾尾瓣瓣)各各辐辐射射源源的的噪噪声声温温度度,它它与与波波瓣瓣仰仰角角和和工工作作频频率率f等等因因素素有有关关,如如图图3.6所所示示。图图中中天天线线噪噪声声温温度度TA是是假假设设天天线线为为理理想想的的(无无损损耗耗、无无旁旁瓣瓣指指向向地地面面),但但是是大大多多数数情情况况下下必必须须考考虑虑地地面面噪噪声声温温度度Tg,在在旁旁瓣瓣指指向向地地面面的的典典型型情情况况下下,Tg=36 K,因因此此修修正正后后的的天天线线总总噪噪声温度为声温度为 由由图图3.6可可以以看看出出,天天线线噪噪声声与
7、与频频率率f有有关关,它它并并非非真真正正白白噪噪声声,但但在在接接收收机机通通带带内内可可近近似似为为白白噪噪声声。毫毫米米波波段段的的天天线线噪噪声声温温度度比比微微波波段段要要高高些些,22.2GHz和和60GHz的的噪噪声声温温度度最最大大,这这是是由由于于水水蒸气和氧气吸收谐振引起的。蒸气和氧气吸收谐振引起的。图3.6 天线噪声温度与频率波瓣仰角的关系 (3)接收机的噪声接收机的噪声 1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 2 2)接收机的噪声和噪声系数接收机的噪声和噪声系数(4)噪声系数和噪声温度)噪声系数和噪声温度 1.噪声系数噪声系数 噪噪声声系系数数的的定定义义是是
8、:接接收收机机输输入入端端信信号号噪噪声声比比与与输输出出端端信信号号噪声比的比值。噪声比的比值。噪声系数的说明见图噪声系数的说明见图3.8。根据定义根据定义,噪声系数可用下式表噪声系数可用下式表示示:(3.2.9)式式中中,Si为为输输入入额额定定信信号号功功率率;Ni为为输输入入额额定定噪噪声声功功率率(Ni=kT0Bn);So为输出额定信号功率为输出额定信号功率;No为输出额定噪声功率。为输出额定噪声功率。图3.8 噪声系数的说明图 噪噪声声系系数数F有有明明确确的的物物理理意意义义:它它表表示示由由于于接接收收机机内内部部噪噪声声的的影影响响,使使接接收收机机输输出出端端的的信信噪噪比
9、比相相对对其其输输入入端端的的信信噪噪比比变变差差的的倍数。倍数。式式(3.2.9)可以改写为可以改写为(3.2.10)式式中中,Ga为为接接收收机机的的额额定定功功率率增增益益;NiGa是是输输入入端端噪噪声声通通过过“理理想接收机想接收机”后后,在输出端呈现的额定噪声功率。在输出端呈现的额定噪声功率。因因此此噪噪声声系系数数的的另另一一定定义义为为:实实际际接接收收机机输输出出的的额额定定噪噪声声功功率率No与与“理想接收机理想接收机”输出的额定噪声功率输出的额定噪声功率NiGa之比。之比。实实际际接接收收机机的的输输出出额额定定噪噪声声功功率率No由由两两部部分分组组成成,其其中中一一部
10、部分分是是NiGa(NiGa=kT0BnGa),另另一一部部分分是是接接收收机机内内部部噪噪声声在在输输出出端端所呈现的额定噪声功率所呈现的额定噪声功率N,即即 No=NiGa+N=kT0BnGa+N 将将No代入式代入式(3.2.10)可得可得(3.2.11)(3.2.12)从从上上式式可可更更明明显显地地看看出出噪噪声声系系数数与与接接收收机机内内部部噪噪声声的的关关系系,实实际际接接收收机机总总会会有有内内部部噪噪声声(N0),因因此此F1,只只有有当当接接收收机机是是“理理想接收机想接收机”时时,才会有才会有F=1。下面对噪声系数作几点说明下面对噪声系数作几点说明:噪噪声声系系数数只只
11、适适用用于于接接收收机机的的线线性性电电路路和和准准线线性性电电路路,即即检检波波器器以以前前部部分分。检检波波器器是是非非线线性性电电路路,而而混混频频器器可可看看成成是是准准线线性性电电路路,因因其其输输入入信信号号和和噪噪声声都都比比本本振振电电压压小小很很多多,输输入入信信号号与噪声间的相互作用可以忽略。与噪声间的相互作用可以忽略。为为使使噪噪声声系系数数具具有有单单值值确确定定性性,规规定定输输入入噪噪声声以以天天线线等等效效电电阻阻RA在在室室温温T0=290K时时产产生生的的热热噪噪声声为为标标准准,所所以以由由式式(3.2.12)可以看出可以看出,噪声系数只由接收机本身参数确定
12、。噪声系数只由接收机本身参数确定。噪声系数噪声系数F是没有单位的数值是没有单位的数值,通常用分贝表示通常用分贝表示 F=10 lg F(dB)(3.2.13)噪声系数的概念与定义噪声系数的概念与定义,可推广到任何无源或有源的四端网络。可推广到任何无源或有源的四端网络。接接收收机机的的馈馈线线、放放电电器器、移移相相器器等等属属于于无无源源四四端端网网络络,其其示示意意图图见见图图3.9,图图中中Ga为为额额定定功功率率传传输输系系数数。由由于于具具有有损损耗耗电电阻阻,因此也会产生噪声因此也会产生噪声,下面求其噪声系数。下面求其噪声系数。从从网网络络的的输输入入端端向向左左看看,是是一一个个电
13、电阻阻为为RA的的无无源源二二端端网网络络,它它输出的额定噪声功率为输出的额定噪声功率为(3.2.14)图3.9 无源四端网络经过网络传输经过网络传输,加于负载加于负载RL上的外部噪声额定功率为上的外部噪声额定功率为(3.2.15)从从负负载载电电阻阻RL向向左左看看,也也是是一一个个无无源源二二端端网网络络,它它是是由由信信号号源源电电阻阻RA和和无无源源四四端端网网络络组组合合而而成成的的,同同理理,这这个个二二端端网网络络输输出出的的额额定定噪噪声声功功率率仍仍为为kT0Bn,它它也也就就是是无无源源四四端端网网络络输输出出的的总总额额定噪声功率定噪声功率,即即(3.2.16)根据式根据
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