寬帶大動(dòng)態(tài)接收技術(shù)

摘?要：本文介紹了一種適應(yīng)于復(fù)雜電磁環(huán)境下工作的接收機(jī)技術(shù)，能夠?qū)ν饨缧盘?hào)實(shí)現(xiàn)高靈敏、寬帶大動(dòng)態(tài)接收。

關(guān)鍵詞：寬帶;大動(dòng)態(tài);接收

中圖分類號(hào)：TN975文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Introduces a scheme of receiving technology with highly sensitive，wideband and large dynamic range，which adapted to use in the complex electromagetic environment.

Key words：wideband;large dynamic range;receive

通信偵察接收機(jī)追求的是高靈敏接收微弱信號(hào)。但是，隨著現(xiàn)代電磁環(huán)境日益復(fù)雜，偵察站周邊很大程度上會(huì)存在各種各樣的干擾信號(hào)，如調(diào)頻廣播、民航通信、廣播電視、通信基站等，其生存環(huán)境面臨巨大挑戰(zhàn)。尤其是在沿海和近海環(huán)境，其電磁輻射源數(shù)量更多，信號(hào)的密集程度更高、復(fù)雜性更強(qiáng)[1]。通信偵察接收機(jī)往往需要存在大信號(hào)的情況下，對小信號(hào)實(shí)現(xiàn)高概率偵收。寬帶大動(dòng)態(tài)接收是通信偵察接收機(jī)的發(fā)展趨勢。

1 接收機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)

對接收機(jī)而言，靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍是其最重要的兩個(gè)指標(biāo)，都跟接收機(jī)帶寬有關(guān)系。

1.1 靈敏度

接收機(jī)的靈敏度表達(dá)式如下所示：

式中，k為波爾茨曼常數(shù)，k=1.38×10-23（Ws/J）;T為熱力學(xué)溫度，通常取290K，B為接收機(jī)的帶寬，單位Hz;NF為噪聲系數(shù)，單位dB;SNR為檢測信噪比，單位dB。

1.2 動(dòng)態(tài)范圍

接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍主要分為線性動(dòng)態(tài)范圍和無虛假動(dòng)態(tài)范圍。線性動(dòng)態(tài)范圍表達(dá)式如下：

式中，DR為線性動(dòng)態(tài)范圍，單位dB;P-1o為輸出1dB壓縮點(diǎn)，單位dB;G為1dB壓縮點(diǎn)功率增益，單位dB;B為帶寬，單位Hz;NF為噪聲系數(shù)，單位dB;SNR為檢測信噪比，單位dB。

上式可見，SNR一定的情況下，提高1dB壓縮點(diǎn)、減少帶寬、降低NF都有助于提高接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍。無虛假動(dòng)態(tài)范圍是反映多信號(hào)輸入時(shí)，由于非線性產(chǎn)生的互調(diào)信號(hào)電平小于某一要求的動(dòng)態(tài)范圍。常采用兩個(gè)等幅信號(hào)測試，通過接收機(jī)的二階響應(yīng)、三階響應(yīng)來反映。

如圖1所示，三階截點(diǎn)越高，說明輸入信號(hào)的互調(diào)分量越小，無虛假動(dòng)態(tài)范圍也越大。無虛假動(dòng)態(tài)范圍的表達(dá)式[3]如下所示：

式中，IIP3為三階互調(diào)截點(diǎn)，單位dBm;Sens為接收機(jī)靈敏度，單位dBm。

從（3）式看出，SFDR主要受IIP3制約。接收機(jī)帶寬也會(huì)限制SFDR。帶寬越寬，多信號(hào)瞬時(shí)輸入概率也會(huì)越大，而且引入外部干擾的可能性也會(huì)增加，接收機(jī)靈敏度隨之降低，SFDR也減小。偵察接收機(jī)追求高靈敏度偵收，需要高增益、低噪聲，但AD峰值電壓一定，系統(tǒng)增益越高，則適應(yīng)大信號(hào)能力越差。通常而言，模擬通道增益越高，輸入三階截點(diǎn)也越低。

2 現(xiàn)有寬帶接收機(jī)的主要架構(gòu)和不足

當(dāng)今世界上所使用的無線電接收機(jī)，絕大部分是超外差式的。超外差接收機(jī)的基本原理如圖2所示。天線接收下來的信號(hào)，經(jīng)過放大器、濾波器后送入混頻器，然后得到中頻信號(hào)。

圖中架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于：通道總的增益分配容易實(shí)現(xiàn)，且在較低固定中頻上進(jìn)行量化也容易實(shí)現(xiàn)。但是也存在以下不足：（1）組合干擾頻點(diǎn)較多，容易引起寄生通道干擾;（2）由于引入的模擬有源電路較多，當(dāng)多信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后，互調(diào)雜散較為嚴(yán)重;（3）由于本振泄漏到天線或混頻器輸入端，造成混頻器上產(chǎn)生自混頻，從而產(chǎn)生直流分量，帶來接收機(jī)信噪比嚴(yán)重惡化。

因此，超外差接收機(jī)設(shè)計(jì)也存在自身的固有缺點(diǎn)，容易產(chǎn)生更多的虛假響應(yīng)。

3 一種寬帶大動(dòng)態(tài)接收技術(shù)

3.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)思路包括：（1）減少模擬變頻等非線性環(huán)節(jié)，提升接收機(jī)瞬時(shí)動(dòng)態(tài);（2）采用預(yù)選濾波方式，抑制邊帶強(qiáng)干擾信號(hào);（3）高線性微波前端設(shè)計(jì)，保證接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍盡可能大;（4）采取基于軟件無線電設(shè)計(jì)思想的射頻直采技術(shù)[4]，完成數(shù)字下變頻、濾波和解調(diào)。

3.2 仿真與工程設(shè)計(jì)

功能原理框圖如圖3所示。射頻信號(hào)先后經(jīng)過預(yù)選濾波器、低噪聲放大器LNA、濾波器、手動(dòng)增益控制器、鏡頻濾波器后，送數(shù)字接收機(jī)。并采用基于軟件無線電設(shè)計(jì)思想的射頻數(shù)字化接收技術(shù)實(shí)現(xiàn)模/數(shù)變換和數(shù)字正交解調(diào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)和匹配濾波。

通過ADISimFR、Mentor Expidition和Agilent ADS等工具，進(jìn)行鏈路仿真，得到工程設(shè)計(jì)依據(jù)。

4 實(shí)現(xiàn)效果

經(jīng)仿真設(shè)計(jì)，研制了一款基于射頻直采的8通道寬帶大動(dòng)態(tài)接收機(jī)，工作頻率225～285MHz。預(yù)選濾波器測試如下圖所示，帶外抑制≥40dBc@200MHz以下及350MHz以上。實(shí)測插損≤1.5dB。

SFDR測試方法：兩臺(tái)信號(hào)源輸出頻差5MHz的兩個(gè)等幅信號(hào)，經(jīng)合路器后注入接收通道，采集數(shù)字IO信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。輸入信號(hào)與60MHz帶寬頻譜中最大互調(diào)信號(hào)差值即為SFDR。測試數(shù)據(jù)如下圖所示，輸入信號(hào)230MHz和235MHz的情況下，SFDR均超過70dB。

5 結(jié)論

研制出一款基于射頻直采的寬帶大動(dòng)態(tài)接收機(jī)，工作頻段225～285MHz，實(shí)現(xiàn)了60MHz帶寬、70dB雙音無虛假動(dòng)態(tài)的接收性能。

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作者簡介：楊一鳴（1981-），男，漢族，河南焦作人，碩士研究生，研究方向：偵察總體設(shè)計(jì)。