CN1060752A - 静磁波信噪比增强器和使用该增强器的调频或调相信号接收设备 - Google Patents

Abstract

一种静磁波信/噪比增强器包括：一个用于将输 入信号分配成第一和第二通路信号的分配器，用于将 第一和第二通路信号变换为第一和第二通路变换信 号的第一和第二微波—静磁波变换器以及一个用于 将第一和第二通路变换信号彼此反相地组合起来的 组合器。第一通路信号含有高于第一饱和电平的有 用信号和低于第一通路阈值功率电平的噪声。第一 微波—静磁波变换器是在线性工作状态下输出噪声， 而在饱和工作状态下输出有用信号的。包含噪声的 第二通路信号的全部分量信号低于第二通路阈值功 率电平并由第二微波—静磁波变换器以线性工作状 态输出。

Description

本发明涉及调频信号或调相信号的接收设备。该设备能够增强微波频段的输入信号在解调之前的载波/噪声比，以便增强解调信号的信号/噪声比。本发明还涉及静磁波信/噪比增强器，该增强器可被用在该接收设备中，以增加载波/噪声比，更确切地说，涉及能增加输入到接收设备的微波信号载波/噪声比的静磁波信/噪比增强器，它是建立在静磁波的频率-选择饱和特性基础之上的。

为了改善调频信号的阈值，例如，用于调频信号或调相信号的常规接收装置中，将窄带滤波器安置在射频信号的传输通路上，其滤波器有利于减少等带宽宽噪声。换言之，为了这个目的，常规接收器装置使用了采用锁频环（FLL）或锁相环（PLL）的反馈解调器。

在信号由调频信号接收装置接收并有均匀噪声频谱的情况下，当信号为正弦波时，所接收信号的载波/噪声比与解调信号的信/噪比之间的关系可表示如下：

信/噪比＝（3/2）（C/n_O）（△f²/f_m ³）

＝（3/2）B（△f²/f_m ³）（C/N）…

……（1）

其中，C输入射频信号的功率（W）;

n_O为包括信号的噪声分布（W/Hz）;

△f为最大频偏（Hz_p-p）;

f为解增信号的带宽（HZ）;

B为射频信号的传输带宽。

△f、f_m和B取决于在发送装置中调频信号的调制方式。在n_O相对于频率（座标）为均匀的情况下，如方程（1）所示，解调信号的信/噪比明确地正比于C与n_O之比，不取决于射频信号的传输带宽B。因此，即使在接收装置中使用了反馈解调器，当所接收信号的载波/噪声比高于调频阈值时，解调信号的信/噪比的增强过程尚未完成，并且信/噪比的增强有求于自身载波/噪声比的增强。

本发明的一个目的在于提供一种接收装置，该装置可借助于提高所接收信号自身的载波/噪声比来改善解调信号的信/噪比。

本发明的另一目的在于提供一种用在接收装置中的静磁波信/噪比增强器。基于这样的事实，即：由于输入/输出特性从P_L到P_H的锐变，增强器阈值功率电平P_L和增强极限功率电平P_H之间相差较小，这种增强器甚至在当输入信号具有低载波/噪声比时仍可足量地增强输入信号的信/噪比。

为了实现第一目的，用于根据本发明的调频信号或调相信号的接收装置包括一个置于解调器之前的静磁波信/噪比增强器，用以改变包括在输入信号之中的噪声频谱的分布，该增强器具有一频率-选择饱和特性。这是由于采用了工作于微波频段的增强器的频率-选择饱和特性之后，所接收的射频信号的噪声分布N_O是随着有用波信号功率而相对改变的缘故。于是，它使靠近有用信号附近的噪声功率减少，并提高了载波/噪声比，由此改善解调信号的信/噪比。

为了实现第二目的，静磁波信/噪比增强器采用了具有频率-选择饱和特性的第一和第二微波-静磁波变换器还包括一在输入端侧将输入信号分成具有不同功率电平的第一和第二通路信号分配器，还包括设在第一通路上用于处理较高电平信号的第一静磁波变换器和设在第二通路上其输入/输出特性与第一微波-静磁波变换器的输入/输出特性基本相同的用于处理较低电平信号的第一静磁波变换器，以及在输出端侧的用于将第一通路信号和第二通路信号在予定电平上组合起来的组合器。

图1A、1B和1C为方框图，分别表示根据本发明的第一、第二及第三实施的接收设备;

图2为表示使用在本发明接收设备中的一种常规静磁波信/噪比增强器实施的结构图;

图3为表示常规静磁波信/噪比增强器输入/输出特性的曲线图;

图4A及4B为示意图，分别表示静磁信/噪比增强器输入及输出口的有用信号（包括噪声）;

图5为表示静磁波信/噪比增强器跟踪操作频谱图;

图6A及6B为示意图，分别表示当具有边频带的信号输入静磁波信/噪比增强器时出现的输入频谱和输出频谱;

图7A及7B为方框图，分别表示本发明所述静磁波信/噪比增强器的第一及第二实施例的电路配置;

图8为表示使用在根据第一及第二实施例的静磁波信/噪比增强器中的微波-静磁波变换器结构图;

图9为表示微波-静磁波变换器输入/输出特性的曲线图;

图10为表示根据第一实施例的静磁波信/噪比增强的输入/输出特性的曲线图，以及

图11A至11D为图解说明根据第一实施例的静磁波信/噪比增强器操作图。

根据本发明，静磁波信/噪比增强器被安置在人广播卫星接收设备中调频解调器的前面，用来增强载波/噪声比，从而改善解调信号的信/噪比。

在此，本发明一些实施例将参照附图作详细描述。

图1A表示接收设备1原理的方框图，包括在本发明的第一个实施例中。微波波段的射频（RF）输入信号2，输入到包括在载波/噪声比增强单元3中的静磁波信/噪比增强器10中。此静磁波信/噪比增强器10，将具有增强了的载波/噪声比的信号4供给调频解调器40。该解调器40则供给具有改善了的信/噪比的解调信号6。该解调器40可以采用任何型式的解调方式。

表示在图1A中的第一个实施例，采用了一个静磁波信/噪比增强器，但也可以采用两个或更多个增强器。现在再看图1B，当载波/噪声比增强单元3的增强器10-1不是以增强载波/噪声比时，具有如增强器10-1同样工作频带的其它一些静磁波信/噪比增强器10-2至10-n，也可以与增强器10-1串联起来，如图1B中所示，从而就能显著地增加载波/噪声比。作为如图1C所示的另一电路配置，两个或者更多个增强器10-11至10-1n，……，以及10-m1至10-mn对于相应的工作频带，被串联及并联在一起。其结果是，与只有一个增强器的情况相比，总的工作频带可以做到m倍宽，而且载波/噪声比可以增加到n倍。在这种电路配置下，输入信号2经过输入多路转换器5，对应于特定的频带被分配给增强器序列。在每个增强器序列中的信号的载波/噪声比，均得到增强。然后，通过输出多路转换器7将这些增强的信号组合在一起。其结果是在更宽的频带内能使载波/噪声比得以增强。图1B及1C中表示的每个增强器，与图1A中表示增强器10一样。

图2表示使用在图1A实施例中的常规静磁波信/噪比增强器10的典型结构。在增强器10的结构中，生长在钆镓石榴石（GGG）基底上的钇铁石榴石（YIG）薄膜14，被安置在介电基底17上形成微带线或隙缝线13上，以便在YIG薄膜中将输入信号转换为静磁波。YIG薄膜14的厚度，譬如为几十微米。静磁波吸收体18则位于介电基底17的两侧。此增强器10所具有的输入/输出特性曲线，表示在图3中;所具有的输入及输出频谱特性，分别表示在图4A及4B中。在图3中，横座标轴指的是输入信号电平，以dBm表示;纵座标轴指的是相关的输出信号电平，以dB表示。直线124表示输入/输出特性为线性，作为参照。曲线125则表示该增强器的输入/输出特性。P_L表示增强器的阈值电平，而且P_H表示增强极限功率电平。

微波信号是从输入口11输入的，并且在微带线13上朝向输出口12传播。在传播过程中，输入的微波信号，按照微波的输入功率电平被转换为静磁波。静磁波在YIG薄膜14内传播，并被吸收体18吸收。因此，在输出口12处的微波信号，由于其能量被转换成静磁波而被衰减。然而，如果输入的微波信号具有比图9中表示的阈值功率电平P_th高的电平，那么转换成电磁波的能量就会饱和，以致于输入/输出特性曲线为非线性的。其结果是使微波能量的衰减减少，从而增加大部分的输入微波能量出现在输出口12。这就是说，静磁波的饱和现象对于高功率输入会产生小的插入损耗，但对于低功率输入会产生大的插入损耗。在将电磁波转换为静磁波过程中的饱和现象，是靠频率进行选择的。因此，在将频率不同的两个或更多个信号同时输入增强器10的情况下，插入损耗是由每个信号的功率电平决定的。有关这一现象的资料，由J.D.Adam  1980年发表于IEEE  Trans.，Vol.MAG-16，No.5，pp.1168-1170的“广播波段微波信/噪比增强器”及1985年发表于IEEE  Trans.，Vol.MAG-21，No.5，pp.1794-1796的“缝隙线静磁波信/噪比增强器”的参考文献中作了描述。

正如从上面的描述中所了解到的，增强器10对于高电平信号产生的插入损耗小，而对于低电平信号产生的插入损耗大。于是，通过将有用信号的电平设置为电平P_H或更高，将无用信号或噪声的电平设置为电平P_L或更低，可使包括在输出信号4中的有用信号与噪声之比提高到L_e的电平。然而，如图4A和4B所示，越接近于高电平信号的噪声，其噪声的衰减量越小。于是严格地讲，增强器10用于改变噪声的分布。

如果增强器10具有该述特性，且当信号不是调频调制并可用作追踪滤波器追踪接收调频信号的瞬时频率时（如图5），该噪声功率可被降低。考虑到调频信号的频谱，当如图6A所示频谱的信号输入增强器10后，可以改善输入到解调器40的信号4的载波/噪声比。这样，具有如图6B所示频谱的解调信号出现在输出口上，从而改善了解调信号的信/噪比。

下文，将直接针对用于本发明接收装置中的静磁波信/噪比增强器的第一和第二实施例加以描述。

如从图3所知，前述静磁波装置，而静磁波信/噪比增强器10具有约为-6dB_m的阈值功率电平P_L及约为+15dB_m的增强极限功率电平P_H。输入/输出特性渐次地从P_H变为P_L。其结果，对于非常低的载波/噪声比的信号不能获得足量的增强。为了克服这一缺点，第一实施例采用了两个具有相同输入/输出特性的微波-静磁波变换器。两者之一被设置为工作在饱和状态，而另一个则被设置为工作在线性状态（这意味着输入/输出特性为线性）。这两个变换器的输出以相反的相位组合起来。

以下，将直接针对用于本发明的接收装置中的静磁波增强器10的第一实施例及其附图加以描述。

图7A为一方框图，示出静磁波信/噪比增强器10的第一实施例的电路配置。两个微波-静磁波变换器24和26在同一基底上形成，故在任何环境条件下，该变换器具有相同的特性。该变换器的结构如图8所示，该变换器有一页已长在GGG15上的YIG膜14及在介电基底17上构造的两个微带线13-1和13-2。微带线13-1和13-2的另一侧联在接地板16。

从输入口11输入到线13-1上的微波信号变换为与图9所示变换器输入/输出特性成比例的静磁波。变换后的静磁波通过YIG薄膜14传播到线13-2。当它达到线13-2时，该静磁波反变换为微波，该变换后的微波从输出口12输出。如图9所示，变换器的输入/输出特性在达到阈值功率电平P_th前保持为线性，而超过P_th则饱和。P_th大体上是由YIG的性质所决定的。变换器的工作频率可通过改变微带线的形状或改变磁场强度而得以调节。

以下将是直接针对静磁波信/噪比增强器如何工作而作的描述。如图11A所示的接收信号2经过诸如定向耦合器32那样的分配器22被分成具有不同功率电平的第一和第二通路信号（如图7A）。这两个信号被分别加到微波-静磁波变换器24和26上。第一信号为高电平信号，而第二信号为低电平信号。经变换器24的第一信号分别含有高于如图9所示阈值功率电平P_th的有用分量信号和低于如图9所示阈值功率电平P_th的诸如噪声的无用信号。噪声没有经过限幅而从变换器24中输出。另一方面，每一分量信号的输出由于如图11B所示静磁波频率-选择饱和特性而受到幅度限制，全部变换-反变换后的第一分量信号施加到组合28中的衰减器34和定向耦合器38上。

另一方面，第二通路信号的全部分量信号均被设置为低于电平P_th，于是，如图11B所示，第二通路信号的输出完全不受到幅度限制。变换器反变换后的第二信号被加到组合器28中的移相器36上。

衰减器34用作调整器以补偿移相器36的损耗。移相器36将变换-反变换后的第二信号移相180°，也就是说，在定向耦合器38之前的两个信号的相位彼此相反、定向耦合器38将两路彼此相位相反幅度相等的信号组合为低于P_th的分量信号。由此获得图11D的输出信号4。

图10所示当定向耦合器32和38的定向性为-30dB时来用两个微波-静磁波变器后的静磁波信/噪比增强器10实例的输入/输出特性曲线。示于图10中的线122和123和示于图3中的线含义相类似。将示于图10和图3之中的两条特性曲线相比较，由于P_L（-6dB_m）与P_H（+15dB_m）间相差较大（21dB），所以图3所示增强器的输入/输出特性是渐次地从P_L变到P_H，而由于本发明的实施例中的P_L（-20dB_m）与P_H（-14dB_m）之间的差值却较小（6dB），故本实施例增强器的输入/输出特性就变化得很急骤。在有用信号与噪声之比为2到3dB时，图3所示增强器的增量被限制到约5dB，而本实施例的增强器的增量可为15dB或更甚。原则上，获得较高增量是可能的。比较P_L和P_H的绝对功率电平值，本实施例的增强器，其电平低于电平P_L约15dB，低于电平P_H约30dB。这意味着本增强器可将输入信号的操作功率电平减少15dB或更甚。

至于如图7A所示的增强器，当两个变换器24和26如上所述具有相同特性时，即使环境温度或直流磁场有此改变，仍几乎完全能消除由于磁场或温度变化产生的影响。在移相器36无损耗的情况下，显然，衰减器34被省略掉。移相器36可由一延迟线或长传输线所取代。此外，在前述电路配置中，经变换器24的第一通路信号经衰减器34衰减并被加到耦合器38上。换言之，可用放大器37设置于第二信号通路上以取代衰减器34。

接下来，将是直接针对根据参考图7B的第二实施例的静磁波信/噪比增强器的描述。本实施例利用了简化了的电路。以此来降低静磁波信/噪比增强器的成本，本增强器与图7A所示增强器相比的不同之处在于免去了变换器26和衰减器34。由于频率与延时有关，使该增强器的有效工作频带窄于图7A所示电路的有效工作频带。然而，本增强器可将信/噪比增强以与第一实施例的信/噪比相等。

如上所述，本发明的接收装置中，由于使用了静磁波信/噪比增强器，靠近于调频信号或调相信号的瞬时频率附近的噪声功率就可被降低，并且，输入到调频或调相解调器中的信号的载波/噪声比得以提高。其结果，可简化接收装置并降低接收装置的成本。例如，可以降低广播卫星接收天线的体积。

当输入信号的载波/噪声比低时，用于接收装置中的增强器与已有技术相比可以明显地使载波/噪声比大为增加。并可大大降低输入信号的功率电平。由此对于低载波/噪声比的调频信号或调相信号，可改善解调信号的信/噪比。

此外，如果增强器配置或具有两个相同微波-静磁波变换器的结构，则这种结构将有利于降低由于YIG的物理特性的变化和外部直流磁场变化对增强器的影响。

虽然已对本发明进行了描述，但不难知道本发明并不仅限于以上实施例，对熟悉本技术的人员来说，可在所附权利要求的范围内对本发明作出许多变型或修改。

Claims (16)

1、一种静磁波信/噪比增强器，其特征在于包括：

用于将输入信号分配成第一通路信号和第二通路信号的装置(22)，所述第一通路信号含有至少一个高于第一通路阈值功率电平的有用信号和低于第一通路阈值功率电平的噪声分量，并且含有所述第二通路信号噪声的全部分量信号低于第二通路阈值功率电平；

具有第一通路阈值功率电平且用以将第一通路信号变换为第一通路变换信号的第一微波一静磁波变换装置(24)，第一通路信号的噪声在线性工作状态下进行变换，而有用分量信号是在饱和工作状态下进行变换；

具有第二通路阈值功率电平且用以将第二通路信号变换为第二通路变换信号的第二微波一静磁波变换装置(26)，全部第二通路分量信号是在线性工作状态下进行变换；以及

用来将第一和第二通路变换信号彼此反相地组合起来的组合装置(28)。

2、一种静磁波信/噪比增强器，其特征在于包括：

用于将输入信号分配成第一和第二通路信号的装置（22），所述第一信号含有高于第一阈值功率电平的有用信号和低于第一通路阈值功率电平的噪声;

具有阈值功率电平用以将第一通路信号变换为第一通路变换信号的微波-静磁波变换装置（24），第一通路信号的噪声是在线性工作状态下进行变换，而有用信号是在饱和工作状态下进行变换;以及

用来将第一通路变换信号与第二通路信号彼此反相地组合起来的组合装置（28）。

3、一种接收设备，其特征在于包括：

用于增强输入信号的载波/噪声比并输出载波/噪声比增强信号的载波/噪声比增强装置（3）;以及

用于解调所述载波/噪声比增强信号的解调装置（40）。

4、根据权利要求3的接收设备，其特征在于：所述载波/噪声比增强装置（3）包含一个用以增强载波/噪声比并输出载波/噪声比增强信号的静磁波信/噪比增强器（10）。

5、根据权利要求4的接收设备，其特征在于所述静磁波信/噪比增强器（10）包括：

用于将输入信号分配成第一通路信号和第二通路信号的分配装置（22），所述第一通路信号含有高于第一通路阈值功率电平的有用信号和低于第一通路阈值功率电平的噪声，并且，第二信号的全部分量信号低于第二通路阈值功率电平;

具有第一通路阈值功率电平且用以将所述第一通路信号变换为第一通路变换信号的第一微波-静磁波变换装置（24），所述第一通路信号的噪声是在线性工作状态下变换而有用信号是在饱和工作状态下进行变换;

具有第二通路阈值功率电平且用以将第二通路信号变换为第二通路变换信号的第二微波-静磁波变换装置（26），第二通路信号是在线性工作状态下进行变换;以及

用来将第一和第二通路变换信号彼此反相组合起来的组合装置（28）。

6、根据权利要求4的接收设备，其特征在于所述静磁波信/噪比增强器包括：

用来将信号分配成第一通路信号和第二通路信号输入给所述增强器的装置（22），所述第一通路信号含有高于阈值功率电平的有用信号和低于阈值功率电平的噪声;

具有阈值功率电平且用以将所述第一通路信号变换成第一通路变换信号的微波-静磁波变换装置（24），所述第一通路信号的噪声是在线性工作状态下进行变换，而有用信号是在饱和工作状态下进行变换;以及

用来将第一通路变换信号与所述的第二通路信号彼此反相地组合起来的组合装置（28）。

7、根据权利要求4的接收设备，其特征在于：所示载波/噪声比增强装置（3）包括若干个与所述静磁波信/噪比增强器（10-1）相串联的静磁波信/噪比增强器（10-2，……10-n），用以进一步增强与所述静磁波信/噪比增强器（10-1）同频带的载波/噪声比。

8、根据权利要求4的接收设备，其特征在于：所述载波/噪声比增强装置（3）包括若干个与所述静磁波信/噪比增强器相并联的静磁波信/噪比增强器（10-11，……10-m1），用以增强与所述静磁波信/噪比增强器（10-1）不同频带的载波/噪声比。

9、根据权利要求3的接收设备，其特征在于：所述载波/噪声比增强装置（3）包括若干个静磁波信/噪比增强器（10-11，……，10-mn）其中的每一个都是由一个或多个串联和并联联接的增强器构成，用以进一步增强同频带的载波/噪声比和不同频带的载波/噪声比。

10、根据权利要求1、2、5和6中任意一项所述的静磁波信/噪比增强器，其特征在于：所述组合装置（28）包括：用于将第二通路变换信号的相位移至反相的第二移相装置（36）。

11、根据权利要求10的静磁波信/噪比增强器，其特征在于：所述的第一通路移相装置（36）含有用于延时第一通路变换信号的第一通路延时装置（36）。

12、根据权利要求1、2、5和6中任意一项所述的静磁波信/噪比增强器，其特征在于：所述的组合装置（28）包括用于将第二通路变换信号的相位移至反相的第二通路移相装置（36）。

13、根据权利要求12的静磁波信/噪比增强器，其特征在于：所述第二通路移相装置（36）包括用于延时所述第二通路变换信号的第二延时装置（36）。

14、根据权利要求1和5中任意一项所述的静磁波信/噪比增强器，其特征在于：所述第一和第二通路微波-静磁波变换装置（24、26）具有基本相同的特性，所述第一通路阈值功率电平基本上与所述第二通路阈值功率电平相等，并且，所述组合装置（28）包括用于第一通路变换信号衰减到预定电平的衰减装置（34）。

15、根据权利要求1、2、5和6中任意一项所述的静磁波信/噪比增强器，其特征在于：所述分配装置（22）含有用于将输入信号分配成第一和第二通路信号的定向耦合装置（32）。

16、根据权利要求1的静磁波信/噪比增强器，其特征在于：所述组合装置（28）含有用于将第一和第二通路变换信号组合起来的定向耦合装置（38）。

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