监测接收机及其基本知识

接收机基础 什么是接收机 从广义上讲 接收机是用来处理电讯号的有线或无线的设备 从这个广义的角度 我们将更近地观察那些使我们感兴趣的接收机 测试接收机频谱仪监测接收机 监测接收机的典型应用 快速探测未知信号在频域内搜索活动信号通信信号的解调触发更多的功能集成到民用和军用的特殊系统中去频带的监测单频点的监测监测某一个频率表传送解调信号便于进一步处理存储某一活动信号 监测接收机的典型应用 追踪目标它们越来越多地应用在 简单覆盖测量符合ITU建议的测量 监测接收机的特性 集成了预选器优化了时间常量的AGC半导体开关切换 没有继电器针对监测任务优化操作实时处理理念特殊的功能如 静噪 COR有如下功能 FSCAN MSCAN和全景显示 RF IF 内部受控序列 扫描 音频处理是核心现代化的接口 LAN 交流电或电池供电 监测接收机的特性 高可靠性 MTBF使用复杂的自检理念达到短的MTTR 平均修正时间 易于集成到系统中为可选设备提供通用接口低功耗改善的的温度范围满足移动要求的高机械强度满足严格的电磁兼容要求不太重要的因素 电平精度 脉冲负载能力 限制线 特殊的滤波器 主要模块预选器 功能 通过电子切换开关 预选器将输入频带分为若干子频带 这些子频带或者被子倍频带通滤波器限制 fupper 2xflower 或直接被作为跟踪滤波器使用 电切换 预选器另外还包括 为提高灵敏度的放大器为增大动态范围的衰减器过压保护电路针对内置测试设备测试信号的应用自我监测的测试点天线选择器 如果有必要的话 主要模块预选器 预选器需要被用来减少天线输入端信号负载 信号总负载 它改善了如下参数 本振再辐射二阶截断点 IP2镜频抑制中频抑制噪声系数 NF 主要模块预选器 主要的因素 调整了的子频带高的滤波器的选择性平坦的频率响应极短的切换和设置时间电子切换尽可能好的线性度 切换器和放大器的截断点 尽可能小的噪声高的过压保护能力 主要模块前端 信号部分 功能 在前端 输入的频率被转变为不同的中频 第一中频 第二中频 第三中频 在每个变频器中间 得到的中频被放大和滤波 以EB200为例 输入频率10kHz到3000MHz第一中频 3466 7MHz第二中频 394 7MHz第三中频 10 7MHz 主要模块前端 信号部分 重要的因素 尽可能好的线性度 尽可能低的噪声频率响应尽可能平坦中频滤波器 第一中频 第二中频 第三中频 尽可能窄宽带输出 第一中频以后 尽可能宽群时延最后一级中频由若干输出 中频部分 全景 外部未控制中频 主要模块合成器 第一本振 LO 功能 当混频器把输入信号变成一个固定的中频信号时 为混频器产生不同的本振信号 第一中频 例如EB200 输入信号频率范围10kHzto3000MHz第一本振3466 71MHzto6466 7MHz第一中频3466 7MHz 主要模块合成器 第一本振 LO 重要的因素 对接收机非常关键 窄的步进带宽 例如 1Hz低的相位噪声相位噪声随载波偏移而减小短的设置时间高的杂散抑制精度 对小数N的舍入误差小 为了使多路信号同步 输出端应能拾取本振信号 如 测向机 设计尽可能简单 主要模块第二 第三本振 功能 第二 第三本振通常是固定频率的振荡器 它们把第一和第二中频输出信号转变为中频信号 这些信号将被加载在中频部分或其它模块上以便进行进一步处理 如中频全景 这些未被控制的宽带中频信号应该在后部也能得到 第一和第二中频信号经常被成对输出满足带宽极宽的应用 10MHz 监测接收机最后一级中频的典型输出频率 10 7MHz 21 4MHz 40MHz 70MHz 160MHz许多选件都调谐到此频率 通常与测试接收机和频谱仪中频不同 主要模块第二 第三本振 重要的因素 低的相位噪声相位噪声随载波偏移而减小高的杂散抑制高精度 参考 为了使多路信号相位同步 输出端应能拾取本振信号 例如 测向机 主要模块中频部分 功能 对从前端输入的信号进行预选和滤波 转换到基带 视频输出 通过带有不同加权过程的对数放大器获得输入信号的电平信息 调整中频部分产生的信号电平进入固定倍数放大器 对于调幅信号 为进一步处理解调信号 音频信号处理 提供额外的输出端 主要模块中频部分 重要的因素 滤波器数量滤波器较陡峭 低的形状因子 60dB 3dB 多种解调方法从简单到复杂的调制方式对无线电信号的优化的自动增益控制使用不同的方法进行信号电平评估时间常数适应解调要求实时数据输出 没有暂存延迟固定和可调的音频输出其它输出 按照标准排列成一排 主要模块中频部分 模拟或数字中频部分 模拟解决方案通常用于消费产品 能力较低 和专业的宽带领域 8MHzto10MHz 数字解决方案有如下决定性的优点 较多的带宽选择 容易调整可实现针对不同的波形选用不同的滤波器不用调整 高精确性温度稳定性好多种解调器适应性好 容易控制数字输出 中频 音频 主要模块内置测试设备 BITE 功能 内置测试设备 BITE 是用来完整地监测设备的功能 并帮助发现故障的模块 重要的因素 通过多个操作点 电流 射频电平 连续地监测 不中断设备运行 通过接收机自己产生的特殊的测试信号 触发一个或长或短的动态测试 测试从天线到音频输出的情况 主要模块处理器 接口 功能 通常内置控制器控制所有的数据和处理 另外有额外的处理器或微控制器和内存支持显示 接口等子功能 重要的因素 标准的操作系统实时能力标准化的接口 在测量测试中使用IEC IEEE总线 实时能力 接收机参数 最重要的 首要的 接收机参数 接收机参数最重要的 首要的因素 频率范围 O D 噪声 噪声因子 噪声系数 NF U T 灵敏度 O T 二阶截断点 ICP2 IP2 SOI U T 三阶截断点 ICP3 IP3 TOI U T 振荡器再辐射 U T 中频抑制 U T 镜频抑制 U T 选择性 形状因子 O T 接收机参数 振荡器 合成器 相位噪声 U D 固有杂散响应 U D 寄生响应 U D 自动增益控制 AGC O T l左 O 操作参数U 不需要的参数右 D 设计参数T 测试评估 接收机参数频率范围 有如下不同的概念 多重调谐器的概念为不同的频带配置对应的调谐器Pros 低的中频使得第一中频的滤波器变窄成为可能 对噪声系数 截断点 阻塞来说是理想的 低的本振频率 低的相位噪声Cons 为不同的频带配置对应的调谐器占用了大量的空间和模块 换句话说 增加了成本 例如 ESMC 接收机参数频率范围 单调谐器的概念Pros 整个频带仅有一个调谐器 只需较小的空间 价格低 Cons 高中频 宽的中频滤波器带宽限制了带内的截断点高频削弱了噪声相位噪声和线性度只能用于一个有限的范围如 HF VHF UHF例如 EB200 ESMB VHF UHF 接收机参数噪声 凡是有电流的地方都会产生噪声 电子的不规则运动是产生这种现象的原因 原理 电流越大 产生的噪声越大 因此 接收机中要进行小电流设计 但这与线性度矛盾 低噪声和高的线性度是矛盾的 接收机参数Noise 噪声被认为是接收机内部的噪声 它降低了输入信号的信噪比 因此 内部噪声成为衡量接收机灵敏度的尺度之一 内部噪声是可靠检测小信号的的关键 内部噪声可以以多种方式表示 噪声因子或噪声系数通常被认为是不依赖带宽的参数 接收机参数噪声因子 噪声系数 无量纲的噪声因子F是二端口网络 接收机 输入端和输出端信噪比之比其中S1 N1输入端信噪比S2 N2输出端信噪比 接收机参数噪声因子 噪声系数 噪声系数NF用如下公式计算用dB表示 对于无源二端口网络 衰减缓冲 电缆 其中F NF 噪声因子 二端口网络的噪声系数a 二端口网络的衰减 用dB表示 接收机参数灵敏度 对于接收机的评估和比较来说 噪声系数是一个关键的标准 灵敏度对于接收机来说是同样重要 经常用来替代噪声系数或同噪声系数并列 如果数据表中的数据完整 准确 噪声系数和灵敏度之间可以直接转换 下面的幻灯说明了他们的关系 接收机参数灵敏度 接收机的灵敏度是这样计算的也就是说 它依赖于带宽设置当或以及灵敏度Vin min就确定了 用V表示 反之亦然 当已知灵敏度是可以计算出噪声系数 接收机参数灵敏度 可是值得注意的是 数据表中通常不能直接反映最大灵敏度 灵敏度范围 噪底 而是针对某一个S N的灵敏度 例如当S N 10dB对于AM S N 25dB对于FM 在这种情况下 当确定最大信噪比时 必须考虑10dB或25dB的取值 例如 对一个特定的带宽 当S N为10dB时 灵敏度为1 V 我们做除法1 V 3 16 10dB 得到 0 32 V 这就是最大灵敏度 接收机参数灵敏度 下面关于灵敏度的定义对我们来说特别重要 因为它们经常被用到 S N N 信号 噪声 噪声 几乎所有的接收机都是按照这个流程测试并且记录数据表的 另一个定义是 SINAD 信号 噪声 失真 噪声 它将信号部分的失真考虑进去了 在现代的前端设备中 信号的失真通常较小 接收机参数灵敏度 所有的三种方法是根据测量如何进行和用什么测量仪器而有所区别 但最终结果差别很小 例如 当S N 10dB 测量结果的差别如下 按照S N N大约1dB按照SINAD大约0 5dB 接收机参数噪声系数 灵敏度 测量 连接开放式天线的接收机的噪底和相应带宽显示在内部的仪表上 运用已知的关系 我们现在可以计算与S N对应的灵敏度和噪声系数 这些算得的结果对于一个快速评估来说已非常准确了 使用相应的噪声源和 V表 我们可以对接收机和二端口网络直接测量噪声系数 我们不再详细描述这些方法了 接收机参数互调 IP2 IP3 当两个或更多的信号同时加载在有源器件输入端 有源器件 放大器 混频器 由于其非线性 会在互调产物中产生无用信号 因此这些无用信号电平越低越好 有源器件的线性度随着电流和功率的增长而增长 也就是 为放大器级提供的电流越大 或混频器的本振功率越大 线性度就越高 但是要记住 这同噪声的要求相矛盾 低功耗 有限的线性度例如 EB200 功耗17Wtyp IP3 2dBmtyp ESMB 功耗40Wtyp IP3 18dBmtyp 接收机参数互调 IP2 IP3 f LO 频谱 谐波和互调产物 绿色 二阶产物红色 三阶产物 接收机参数互调IP2 IP3 IP2 IP3测试图需要缓冲放大器 如果 被测件需要高功率 10dBm 需要测量高抑制 50dB 一定要 选择合适的测试测量设备为谐波抑制提供滤波器在不加被测件时检查电路 是否能显示期望的结果 选择合适的测量频率选择合适的测量电平观察互调产物的不同的幅度 Signal generator1 Signal generator2 DUT Buffer amplifier Buffer amplifier Combiner f1 f2 Spectrum analyzer 接收机参数互调IP2 IP3 频谱仪或测试接收机用来直接测量双端口或多端口器件 如 放大器 变频器等 或接收机的中频宽带输出 如果接收机已包含了完整的中频部分 内部电平显示就用来测量该信号 由于显示的电平是加载在接收机输入端的 就不需要转换了 在这种情况下整个接受机就被测量了 但是我们总需要频谱仪或合适的测试接收机检查测量设置的是否恰当 接收机参数互调IP2 IP3 IP2例如 f1 200MHz f2 410MHz f2 f1 210MHz流程 接收机先调谐至f1然后到f2 f1 确定取值 IP2 Pin a fin f LO fIF f1 f2 f1 f2 f2 f1 预选滤波器 第一中频滤波器带宽 Pin 电平差 a 预选器带宽 接收机参数互调IP2 IP3 IP3例如 f1 400MHz f2 410MHz 2f1 f2 390MHz 2f2 f1 420MHz流程 顺序将接收机调谐至f1 f2 2f1 f2和2f2 f1得到如下值 IP3 Pin a 2 fin fLO f IF f1 f2 2xf2 f1 预选滤波器 第一中频滤波器带宽 Pin 电平差 a 预选滤波器带宽 2xf1 f2 接收机参数互调IP2 IP3 三阶互调 带内 带外带外测量对于多调谐概念来说是可能的 因为可以根据低的第一中频使用窄的滤波器 对于在宽频带使用单调谐器的概念来说 第一中频很高 窄的滤波器也不可能 例如 ESMC 第一IF 1121 4MHz 第一中频滤波器带宽 20MHztyp EB200 第一 3466 7MHz 第一中频滤波器带宽 80MHztyp f1 f2 2xf2 f1 预选滤波器 第一中频带宽 2xf1 f2 f1 f2 2xf2 f1 2xf1 f2 f1 f2 2xf2 f1 2xf1 f2 带内 带外 带外 接收机参数互调IP2 IP3 互调 IM 激励 控制为什么 对频率选择的控制互调产物在频率范围内显著变化 特别是当混频器匹配不理想时 互调产物依赖于温度 两个互调产物通常有不同的值 可能会有几dB的不同 接入衰减器可以控制互调产物 在高的噪声系数下的高的IP IP3和噪声系数应当在同等的操作模式下分析和比较 接收机参数振荡器再发射 因为滤波器和放大器在第二和第三中频中起作用 第一振荡器的辐射很重要 测量 使用频谱仪或测试接收机测量接收机输入端不同接收频率的本振频率 例如 使用EB200 本振频率范围 3466 7MHz 6466 7MHz频谱仪中没有预选器 LO1辐射相对较高 LO1 LO2 LO3 接收机输入 频谱仪 接收机参数中频抑制 中频是如何免除干扰的 以EB200 ESMB为例测量 将信号发生器设置在一个中频频率 调高接收机接收电平直到接收机输入端达到一个能够估计的电平为止 然后 调谐测试信号发生器至不同的有用的频率 在接收机中产生相同的信号电平 中频频率和有用的频率电平的差就是测得的中频抑制 用dB表示 预选器的有益的效果 频谱仪 LO1 LO2 LO3 1stIF 3466 7MHz 2ndIF 394 7MHz 3rdIF 10 7MHz 信号发生器 f1 3466 7MHz f2 394 7MHz f3 10 7MHz 接收机参数镜频抑制 EB200的频率概念接收频率范围 10kHz到3000MHz第一IF 3466 7MHzLO1range 3466 71MHz到6466 7MHz第二IF 394 7MHzLO2 3072MHz第三IF 10 7MHzLO3 384MHz第一镜像 fim1 fin 2xIF1 fin 2x3466 7MHz 6933 41MHz到9933 4MHz Receivefrequency range LO1frequency range Imagefrequency range 1stimage Current receivefrequency f IF1 f IF1 f IF1 f LO1 Imagefrequency 接收机参数镜频抑制 相应地第二 第三镜像的频率范围可以计算如下 第二镜像 fim2 fin 2xIF2 fin 789 4MHz第三镜像 fim3 fin 2xIF3 fin 21 4MHz这样我们会把我们自己限制在测量第二和第三镜像中 由于频率很高 设计已经决定了对第一镜像的抑制 因此我们必须从已执行的概念中测量得到镜像的范围 流程 连接信号发生器到测试机输入端 将不同的频率逐个调到镜像的范围内 调高电平直到接收机显示一个能够测量的电平 下一步 把不同的接收频率调整到与接收机显示电平相等 在信号发生器上读数即为用dB表示的镜像压缩 预选器的有益的效果 频谱仪 接收机参数后选择滤波器 中频滤波器 这些是在中频部分的滤波器 也就是平常所说的中频滤波器 尽管我们已经知道 信号部分 的 中频滤波器 1stIFfilter 2ndIFfilter etc 为了避免混淆 我们应该将中频部分的滤波器称为 后选择滤波器 3dB 6dB 带宽 形状因子 3dBbandwidth 60dBbandwidth 3dB 60dB Shapefactors 60dBBW 3dBBW 接收机参数后选择滤波器 中频滤波器 对于ITU的测量 6dB带宽是标准有如下原则 滤波器选择性越好 越陡 形状因子越小 标准值 模拟滤波器 2 1到8 1数字滤波器 1 2 1到2 5 1数字滤波器比模拟滤波器陡得多 滤波器带宽的测量 将信号发生器接至接收机输入端 将频率设置到接受范围内任意频率 将接收机调谐至这一频率选择测量后选择滤波器 调高信号发生器电平使接收机显示大约为80dB V 从调谐接收机我们可以得到电平下降3dB或60dB的频率 相应的带宽可以计算出来 接收机参数振荡器相位噪声 相位噪声使振荡器短时间稳定度的量度 振荡器用来把不同的频率转换到中频 相位噪声是由相位 频率 幅度变化造成的 它在振荡器信号中显示为一个钟状的噪声特征 相位噪声总是具体的 依赖于载波偏移 作为相对于载波偏移的一个单边带噪声 特别重要的是第一中频的相位噪声 用来调谐我们接收机的合成器 接收机参数振荡器相位噪声 本振的相位噪声 LO1 LO2 LO3 下一张幻灯片显示该效果 Free running oscillator VCO OscillatorviaPLL coupledtoreference f A f LO Spurious 10kHz VCO N N Phase detector LPfilter 10MHz reference 1kHz fout 45MHz 45000 接收机参数接收机相位噪声 将振荡器信号转变到中频输入信号与本振信号混频 A f A f A f Input IF LO fin1 fin2 f IF IFsignal LOsignal Input signal 接收机参数接收机相位噪声 测量和评估 我们现在用一台能够直接测量相位噪声的频谱仪进行一次非常简单的测量 带宽被频谱仪自动计算好 结果直接显示出来 其他的方法涉及到两个振荡器的转换 十分复杂 这里不再讨论了 一个先决条件是必须提供本振信号 经常在设备是开路时是唯一的可能性 接收机参数接收机相位噪声 相位噪声通常是对于一个特定的载波偏移而言的 用 dBc Hz表示 dBc表示载波偏移量 dB Hz表示噪声是相对一赫兹带宽而言的 为了更方便比较 必去表明载波偏移例如EB200 100dBc Hz在10kHz偏移数据表中没有偏移量的数据不能比较 正如我们已经看到的 相位噪声随着载波偏移的增加减小 例如 EB200 110dBc Hz在100kHz的偏移下 接收机参数杂散相应 内在杂散相应 杂散接受或杂散响应是某些频率 这些频率的信号可以从天线接收到 尽管接收机已调谐到不同的频率 杂散响应是由于本振信号和他们的谐波产生的 补救方法 合适的频率概念和密集的滤波器 内部杂散信号是在器件内部产生的频率信号 而接收机频率并不在这些频率上 内部杂散信号也会因为对本振 时钟信号进行混频而产生 补救方法 对高频信号使用密集的滤波器 接收机参数控制 自动增益控制 手动增益控制 自动增益控制 AGC 是无线电监测接收机的一个主要特色 它的先决条件是合适的接收条件 特别是对于调幅信号 这一控制必须设计得适合处理语音信号 如升高 保持 降低的时间必须进行优化设计 对SSB信号要求特别严格 使得与新信号之间能够被连接起来 满足典型无线电监测任务的 对控制的优化对于脉冲信号和其它快速变化的处理来说同样重要 接收机参数控制 自动增益控制 手动增益控制 控制行为只有在空气中有活跃的信号时才能进行 应该用单边带信号评估控制的质量 关键词 延迟增益控制 没有或没有优化的控制是测试接收机 频谱仪接收和解调天线接收的调幅信号的障碍 手动增益控制 MGC 用来当AGC功能不正常和信号极弱时使用 这一模式对短波应用特别有用 接收机参数 其他的 第二位的 接收机参数 接收机参数其他的 第二位的 稳定时间 O D 无杂散动态范围 SFDR O D 输入反射 VSWR O T 阻塞 U D 交调 U D 1dB压缩点 1dBCP O D 频率误差 参考 O T O 操作参数 U 不需要的参数 干扰参数 D 设计参数 T 测试值 接收机参数合成器稳定时间 这一参数描述了合成器 第一本振 在改变频率时稳定下来的时间 例如 数据表中是这样描述的 合成器稳定时间 3ms 1ms典型值 然而 我们必须对我们讨论的频率改变进行区分 上述的例子只适用于随机的 大的 频率跳变 锁相环完全重置 FSCAN MSCAN 在几乎连续调谐时 在很大程度上时间更短 达到更快的速度 DigiscanEB200 ESMB 接收机参数无杂散动态范围 无杂散动态范围 SFDR 说明了接收机没有失真和互调产物的动态范围 它被定义为用dB表示的 接收机噪声和两个相等杂散信号的电平的差 这两个杂散信号的互调产物玉接收机噪声相等 我们必须区分 SFDR2二阶互调产物的无杂散动态范围SFDR3三阶互调产物的无杂散动态范围 接收机参数无杂散动态范围 这些值可以通过我们已知的截断点测量和接收机测量的方法得到 这些值可以通过以下公式得到SFDR2 1 2 IP2 174 NF 10lgBW SFDR3 2 3 IP3 174 NF 10lgBW 由于噪声系数和截断点几乎总能在数据表中得到 只要这些值是准确的 我们可以很简单地计算出SFDR的值 接收机参数输入反射 VSWR 输入反射是衡量接收机阻抗是否匹配的度量 通常50 它通常被称为电压驻波比 VSWR 比如数据表中VSWR 2 该值越大 匹配越差 VSWR 1时为理想值 注意 匹配通常情况下在接收机调谐到某频率下存在 接收机参数输入反射 VSWR VSWR的定义是 当Vr 反射波的幅度Vf 入射波的幅度测量用网络分析仪进行 直接显示出VSWR 接收机参数阻塞 阻塞是接收一个相对较大的有用信号的同时 一个非常强的杂散信号出现在有用信号附近 有用信号电平被降低 即被压缩的现象 这是由于在混频器的强杂散信号和接收机放大器的存在 几乎没有给有用信号的空间 电平范围几乎完全被杂散信号阻塞 在一定程度上 阻