接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍分析及測(cè)試方法稻谷書屋

1、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍分析及測(cè)試方法摘要：本文主要討論的是超短波接收機(jī)大動(dòng)態(tài)范圍的概念和相關(guān)參數(shù)的測(cè)試方法。abstract: this article will discuss the concept of high-dynamic-range vhf/uhf receiver and involved parameters testing methods.關(guān)鍵詞：噪聲系數(shù)（nf）、靈敏度（sensitivity）、雙音互調(diào)失真（two-tone intermodulation distortion）、三階截點(diǎn)（third-order intercept point,）、無雜散動(dòng)態(tài)范圍（sfdr）、

2、內(nèi)部虛假響應(yīng)（internally generated spurious responses）vhf/uhf接收機(jī)又稱超短波接收機(jī)，工作頻率覆蓋30mhz-3ghz，至少提供am、fm、usb、lsb、cw等解調(diào)方式，有的還提供數(shù)字化i/q輸出和寬帶中頻輸出。廣泛用于信號(hào)監(jiān)測(cè)、偵聽、測(cè)向，配合相關(guān)軟件，能自動(dòng)觀測(cè)頻率占用度等。這種接收機(jī)一般采用超外差式結(jié)構(gòu)，天線輸入信號(hào)先通過前端預(yù)選器，濾除帶外干擾后經(jīng)過兩次或三次變頻，將輸入信號(hào)變頻至一個(gè)固定的中頻信號(hào)（if），再由后端模擬解調(diào)或dsp處理。超短波接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)，它涉及到接收機(jī)的好幾個(gè)參數(shù)。大動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)的概念，不僅意味著

3、能夠以低很低的失真，檢測(cè)幅度相差達(dá)90或100db的信號(hào)的能力。更重要的是，這個(gè)概念應(yīng)明確包含對(duì)虛假信號(hào)的免疫能力，虛假信號(hào)通常是遠(yuǎn)離接收機(jī)調(diào)諧頻率的大信號(hào)，相互之間因非線性作用而產(chǎn)生的。本文的目的是讓讀者對(duì)通常為大動(dòng)態(tài)性能而設(shè)計(jì)的典型頻率合成式vhf/uhf接收機(jī)的一些參數(shù)有一定認(rèn)識(shí)。要討論的主題主要包括噪聲系數(shù)，靈敏度，雙音互調(diào)失真，三階截點(diǎn)，無雜散動(dòng)態(tài)范圍和內(nèi)部產(chǎn)生的虛假響應(yīng)。一、噪聲系數(shù)-靈敏度噪聲系數(shù)和靈敏度是兩個(gè)通常和接收機(jī)檢測(cè)小信號(hào)能力有關(guān)的參數(shù)，接收機(jī)的電路通常在輸入信號(hào)上疊加上少量比熱效應(yīng)大的噪聲，在檢測(cè)vhf/uhf頻段的小信號(hào)時(shí)，電路噪聲是通常的限制值。接收機(jī)的噪聲系數(shù)是

4、一個(gè)非?；镜膮?shù)，也是衡量接收機(jī)電路所附加的噪聲大小的量度。公式1以術(shù)語信噪比的方式給出了電子設(shè)備噪聲系數(shù)的定義：nf=（1）注：nf是以db方式表示的噪聲系數(shù)；si 是設(shè)備輸入端的信號(hào)功率；ni 是設(shè)備輸入端的噪聲功率；so 是設(shè)備輸出端信號(hào)功率；no 是設(shè)備輸出端噪聲功率。另一方面，靈敏度不是一個(gè)基本量，它是用來衡量接收機(jī)對(duì)給定電平信號(hào)的檢測(cè)能力的，并且依賴于幾個(gè)因素，如所用的調(diào)制類型和調(diào)制度、采用的中頻（if）帶寬和解調(diào)（video）帶寬、所要求的解調(diào)器輸出信納比，而不僅僅是噪聲系數(shù)。這些因素對(duì)接收機(jī)靈敏度的之間的關(guān)系可以用公式2來簡(jiǎn)單表示，盡管只是大概：s = -174dbm nf

5、+ 10logb + ksn + km（2）注：s：靈敏度，dbm；-174dbm：是室溫下，1hz帶寬的熱噪聲（ktb）；nf：噪聲系數(shù)，db；b： 中頻帶寬，hz，（假設(shè)是視頻或解調(diào)帶寬的兩倍）ksn： 期望的解調(diào)信號(hào)信納比，db；km 調(diào)制特性函數(shù)，db。上式表示靈敏度是隨著噪聲系數(shù)的減小和/或中頻帶寬的減小而改善的（變得更?。?。鑒于最常用的中頻帶寬范圍在10khz至5mhz以上，常用的vhf/uhf接收機(jī)其噪聲系數(shù)在6db至12db之間。因此，典型接收機(jī)所選擇的中頻帶寬比實(shí)際接收機(jī)的噪聲系數(shù)更大的影響接收機(jī)靈敏度。用公式2舉例靈敏度的計(jì)算，假設(shè)讓一具有10db噪聲系數(shù)的接收機(jī)，用10k

6、hz中頻帶寬，解調(diào)一調(diào)制度為50%的調(diào)幅信號(hào)。要求解調(diào)輸出具有10db的信納比。因此：nf = 10db；10logb = 40db （10khz中頻帶寬）；ksn = 10db，所要求的；km = 6db，50% 調(diào)幅。將以上數(shù)據(jù)代入公式2：s = -174dbm + 10db + 40db + 10db + 6db = - 108dbm = 0.9v二、互調(diào)失真-截點(diǎn)所有的接收機(jī)都采用具有固有非線性特性的rf-if信號(hào)處理電路，隨之而來的，影響vhf/uhf接收機(jī)性能的另一個(gè)重要參數(shù)是雙音互調(diào)失真。當(dāng)兩個(gè)足夠大但是有害的信號(hào)被加入到接收機(jī)的天線輸入端時(shí)，它們?cè)趓f段混合產(chǎn)生了被認(rèn)為是互調(diào)產(chǎn)

7、物的虛假信號(hào)。如果這些產(chǎn)物中的一個(gè)頻率靠近了接收機(jī)的工作頻率時(shí)，它將被當(dāng)作同一頻率的輸入信號(hào)而被rf-if段和解調(diào)器處理。這個(gè)問題如圖1所示。圖1：接收機(jī)調(diào)諧到ft處時(shí)，由兩個(gè)有害信號(hào)f1和f2產(chǎn)生的二階和三階雙音互調(diào)產(chǎn)物。二階和三階互調(diào)失真是所遭遇到的最主要的失真。公式3和4給出了涉及這兩種情況的頻率關(guān)系：f1f2 = ft（3）三階互調(diào)失真2f1f2 = ft（4）三階互調(diào)失真注：f1、f2 ：有害大信號(hào)的頻率； ft ： 接收機(jī)調(diào)諧頻率上的互調(diào)產(chǎn)物。二階雙音互調(diào)失真是個(gè)普遍問題，特別是具有寬帶射頻前端的接收機(jī)，但是通過在第一變頻級(jí)使用雙平衡混頻器再加上推挽放大器可以使其最小化。同時(shí)，加上

8、亞倍頻帶通濾波器（可調(diào)或固定）組成的射頻預(yù)選器，二階影響可以減小到可忽略的程度。亞倍頻預(yù)選濾波器用以衰減在接收機(jī)調(diào)諧頻率上能產(chǎn)生二階產(chǎn)物的位于由公式3決定的關(guān)鍵頻段的大信號(hào)。通過使用射頻預(yù)選器對(duì)二階影響的減小如圖2示。圖2：采用亞倍頻濾波器對(duì)二階干擾的減小作用既然射頻預(yù)選器只是部分的解決了互調(diào)失真的問題，更多的麻煩和困難是如何控制三階雙音互調(diào)失真。這是由三階雙音干擾的獨(dú)特性造成的。兩個(gè)同時(shí)落入預(yù)選器通帶的有害大信號(hào)，將產(chǎn)生也有可能落入帶內(nèi)的三階互調(diào)產(chǎn)物（2f1-f2）或（2f2-f1）中的一個(gè)或兩個(gè)。減小預(yù)選器帶寬可以減小接收機(jī)易受這類干擾影響的頻率范圍。不幸的是，考慮到尺寸、復(fù)雜性和插入損耗

9、，用于全覆蓋vhf/uhf接收機(jī)的預(yù)選濾波器相對(duì)帶寬的實(shí)際下限是20%。因此，在信號(hào)密集環(huán)境中，經(jīng)常有可能發(fā)生兩個(gè)強(qiáng)信號(hào)同時(shí)落入預(yù)選器通帶內(nèi)，結(jié)果在接收機(jī)調(diào)諧頻率上產(chǎn)生有害虛假響應(yīng)。如圖3所示。圖3：由兩個(gè)帶內(nèi)大信號(hào)引起的三階互調(diào)干擾三階互調(diào)失真不限于接收機(jī)的射頻前端，以上對(duì)帶內(nèi)三階干擾的描述也適用于中頻級(jí)。當(dāng)輸入強(qiáng)信號(hào)之間的頻率間隔小于第一中頻級(jí)帶寬時(shí)，那么中頻互調(diào)失真就很有可能發(fā)生。因此，必須對(duì)整個(gè)接收機(jī)rf-if鏈路進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娐泛拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)來使問題最小化，而不僅僅是元器件的選擇。一般是通過給接收機(jī)輸入兩個(gè)等功率信號(hào)，然后測(cè)量在接收機(jī)調(diào)諧頻率上的失真產(chǎn)物的等效輸入電平來測(cè)試接收機(jī)互調(diào)指標(biāo)。

10、以db方式表示的輸入測(cè)試信號(hào)的失真產(chǎn)物被稱做互調(diào)率，過去通常用以衡量互調(diào)性能。但是，在最近幾年，截點(diǎn)的概念已經(jīng)成為更通用的衡量互調(diào)失真指標(biāo)的一種方法，其用于多種的電子設(shè)備，而不僅僅是無線電接收機(jī)。這種截點(diǎn)的方式只產(chǎn)生一個(gè)以dbm為單位的數(shù)值，它與輸入信號(hào)電平無關(guān)。雙音、三階互調(diào)截點(diǎn)的概念可以通過圖4來更容易的理解。圖中曲線顯示了在一個(gè)略有非線性特性的系統(tǒng)中，典型的基波和三階響應(yīng)之間的輸入輸出功率關(guān)系。輸出功率dbm破折線表示輸出功率隨著兩個(gè)輸入信號(hào)功率變化的關(guān)系。注意：對(duì)于足夠小的信號(hào)電平（如低于壓縮點(diǎn)），曲線是單位斜率線性變化的，即基本上是輸入信號(hào)功率變化1db，輸出信號(hào)功率變化1db。點(diǎn)線

11、描繪了互調(diào)產(chǎn)物的輸出隨基波輸入信號(hào)變化的關(guān)系。同樣，對(duì)小信號(hào)來說曲線是線性的，只是斜率為3。這個(gè)斜率表示輸入信號(hào)電平每增加1db，三階產(chǎn)物的功率增加3db。假設(shè)把這兩條曲線線性延長(zhǎng)至相交，就 基波 （f1,f2）斜率 1:1- 三階產(chǎn)物 （2f12f2）斜率 3:1確定了截點(diǎn)，截點(diǎn)所處點(diǎn)的輸入功率電平就是系統(tǒng)三階雙音互調(diào)的輸入截點(diǎn)。這個(gè)系統(tǒng)截點(diǎn)不能直接測(cè)量得，只能通過公式5計(jì)算得： ip=1/2（rs）+pin （5） 圖4：雙音三階互調(diào)失真輸入輸出功率關(guān)系這里：ip：三階輸入截點(diǎn)，dbm；rs：三階產(chǎn)物相對(duì)值，db；pin：測(cè)得三階產(chǎn)物相對(duì)值時(shí)的輸入功率電平，dbm。上式中，相對(duì)壓縮值項(xiàng)rs

12、是系統(tǒng)輸出端測(cè)得的三階互調(diào)產(chǎn)物低于基頻的db數(shù)，即圖4中所示的兩條曲線的垂直距離。用于評(píng)估雙音互調(diào)性能和確定rs值方法的典型裝置如圖5所示。關(guān)于截點(diǎn)，能夠用于確定互調(diào)產(chǎn)物等效輸入電平的另一個(gè)重要關(guān)系由公式5a給出。信號(hào)發(fā)生器f2可變衰減器信號(hào)發(fā)生器f1合路器頻譜分析儀outindutf1,f2dutrs (db)基頻三階產(chǎn)物f1f2f1f2pin(dbm)(a)input output(b)圖5：(a) 雙音互調(diào)失真測(cè)試裝置。(b) 用于計(jì)算截點(diǎn)的rs測(cè)試值。im = 3（pin）- 2（ip）（5a）這里：im：三階互調(diào)產(chǎn)物等效輸入功率，dbm；ip：三階輸入截點(diǎn)，dbm。接收機(jī)的三階截點(diǎn)越

13、高，就越不易受由帶內(nèi)大信號(hào)引起的虛假響應(yīng)的影響。不幸的是，高截點(diǎn)接收機(jī)的設(shè)計(jì)常常不能兼顧到同時(shí)帶來的對(duì)低噪聲系數(shù)的要求。通常采取折中的辦法以兼顧接收機(jī)的噪聲系數(shù)和三階截點(diǎn)。作為一項(xiàng)主要的規(guī)則，為高截點(diǎn)指標(biāo)而設(shè)計(jì)的接收機(jī)通常采用壓縮點(diǎn)比截點(diǎn)高1db的rf-if放大器級(jí)和雙平衡混頻器。這些功率放大器通常有更高的噪聲系數(shù)，并且消耗比小信號(hào)放大器更多的電源功率。高功率混頻器較高的本振驅(qū)動(dòng)電平，其結(jié)果帶來了更高的本振輻射電平，以及更大的內(nèi)部虛假響應(yīng)，而不僅僅是電源功率的消耗。因此，要求接收機(jī)具有特別高的截點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生出一系列的設(shè)計(jì)問題和設(shè)備非常昂貴的后果。三、無雜散動(dòng)態(tài)范圍另一個(gè)經(jīng)常用以衡量接收機(jī)性能的參

14、數(shù)是無雜散動(dòng)態(tài)范圍。這里用“無雜散動(dòng)態(tài)范圍”來表示整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的一部分，是指當(dāng)兩個(gè)等功率信號(hào)輸入時(shí)，沒有超過噪底3db的虛假信號(hào)的范圍。接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是指可用的輸入信號(hào)范圍。許多標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被用于定義這個(gè)可用范圍的上限和下限。一個(gè)經(jīng)常用來確定動(dòng)態(tài)范圍下限的標(biāo)準(zhǔn)稱為最小可檢測(cè)信號(hào)，被定義為在一個(gè)給定的中頻（if）帶寬內(nèi)，大于等效噪聲功率3db的信號(hào)。公式6表示最小可檢測(cè)信號(hào)（mds）與接收機(jī)噪聲系數(shù)和if帶寬的關(guān)系：pl = mds = -171dbm + nf + 10logb（6）這里：pl ：動(dòng)態(tài)范圍下限，dbm；mds：最小可檢測(cè)信號(hào)，dbm；nf：噪聲系數(shù)，db；b： if 帶寬，hz。

15、無雜散動(dòng)態(tài)范圍（sfdr）的上限典型規(guī)定為：產(chǎn)生等于最小可檢測(cè)信號(hào)的三階互調(diào)產(chǎn)物的兩個(gè)等電平輸入信號(hào)電平。由公式5a，公式7給出了上述定義：mds =3（pu）- 2（ip）（7）這里：pu：無雜散動(dòng)態(tài)范圍的上限，dbm；ip：接收機(jī)三階截點(diǎn)，dbm。功率上限值由公式8給出：pu = 1/3（mds + 2ip） = 1/3（-171dbm + nf + 10logb）+ 2/3（ip）（8）由上述對(duì)pl、pu的表達(dá)式，無雜散動(dòng)態(tài)范圍可得到公式9：sfdr = pu - pl = 1/3（mds + 2ip）- mds = 2/3（ip - mds） = 2/3（ipnf - 10logb +

16、 171dbm）（9）這里：sfdr：無雜散動(dòng)態(tài)范圍，dbm。由此可見，無雜散動(dòng)態(tài)范圍是同截點(diǎn)成正比的，與噪聲系數(shù)和中頻帶寬成反比的。換句話說，動(dòng)態(tài)范圍是隨著噪聲系數(shù)的減小、中頻帶寬的變窄而增大的，而不僅僅是更高的截點(diǎn)。舉一個(gè)計(jì)算典型高性能接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的例子，假設(shè)噪聲系數(shù)10db，中頻帶寬10khz，輸入截點(diǎn)-5dbm，將這些數(shù)值代入公式9的各項(xiàng)中：sfdr = 2/3（-5 dbm - 10db 40db + 171dbm） = 77.3db四、內(nèi)部虛假響應(yīng)在一臺(tái)頻率合成式的、全面覆蓋vhf/uhf的接收機(jī)中，即使在天線輸入端沒有信號(hào)輸入，接收機(jī)內(nèi)部也有許多產(chǎn)生虛假響應(yīng)的機(jī)制。有些響應(yīng)是在

17、兩次和三次變頻的設(shè)計(jì)中，所必需的不同本振的諧波相互混頻產(chǎn)生的。另一些則同合成器的工作方式有關(guān)。為了使這些響應(yīng)最小化，接收機(jī)的電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)必需引起格外重視。盡管內(nèi)部虛假響應(yīng)并不直接與接收機(jī)的大信號(hào)處理能力有關(guān)，但是它能降低接收機(jī)使用中所表現(xiàn)出來的動(dòng)態(tài)范圍性能。這些響應(yīng)，不僅僅使信號(hào)惡化，也使有用的小信號(hào)變得模糊不清。換句話說，接收機(jī)的信號(hào)檢測(cè)能力或靈敏度可能受限于這些虛假響應(yīng)的幅度，而不僅僅是電路噪聲。為了避免這種可能性，內(nèi)部響應(yīng)等效輸入應(yīng)當(dāng)同先前定義的最小可檢測(cè)信號(hào)相比較，要求虛假信號(hào)大大低于這一電平并無多大意義。因而，內(nèi)部虛假特性指標(biāo)的合理下限可以同公式10給出的接收機(jī)的噪聲系數(shù)和中頻帶寬聯(lián)系起來。ps = mds = -171dbm + nf +10logb（10）這里：ps：虛假指標(biāo)下限，dbm。注意動(dòng)態(tài)范圍的標(biāo)準(zhǔn)定義是很有趣的。比如先前用于計(jì)算sfdr的一個(gè)，通常使用基于噪聲考慮的下限。倘若內(nèi)部虛假響應(yīng)電平超過接收機(jī)的mds，則更有用的下限可能由內(nèi)部虛假響應(yīng)電平?jīng)Q定。五、結(jié)論用于信號(hào)接收的vhf/uhf接收機(jī)應(yīng)當(dāng)具有高靈敏