干擾條件下接收機減敏機理分析

成偉蘭，劉堅強，諶 麗

(1.91224部隊，上海 200235;2.92956部隊，遼寧 大連 116041)

干擾條件下接收機減敏機理分析

成偉蘭1，劉堅強1，諶 麗2

(1.91224部隊，上海 200235;2.92956部隊，遼寧 大連 116041)

為了揭示干擾條件下接收機靈敏度下降機理，通過分析接收機對干擾的響應，建立了接收機輸入輸出模型和輸出信噪比模型。分析結果表明，當干擾信號及有用信號在接收機線性范圍內時，接收機輸出信噪比隨著干擾信號增大由基本不受影響至線性下降，可用輸入信噪比、輸入干噪比、接收機噪聲系數(shù)、選擇性來評估;當干擾信號及有用信號超出線性范圍或滿足倒易混頻條件時，因非線性效應或倒易混頻接收機輸出信噪比迅速下降。因此，非線性效應并非是引起接收機減敏的惟一原因。試驗驗證了其結論的正確性，為分析干擾條件下接收機信噪比等性能指標的方法指出了方向和技術途徑。

干擾;接收機;減敏;噪聲系數(shù);信噪比

為提高接收機的抗干擾性能，需要分析接收機減敏機理，以便評估干擾條件下接收機的性能，為接收機研制和使用提供技術依據(jù)。

1 接收機干擾類型及響應分析

按照接收機對干擾的響應及機理，存在以下幾類干擾及響應:

1)輸入輸出一一對應的干擾

大多數(shù)情況下，接收機接收到1個干擾信號后，對應產(chǎn)生1個干擾輸出信號，干擾的輸入輸出一一對應。此類干擾的電平通常較弱，根據(jù)干擾信號頻率在接收機選擇性曲線上的位置，可分為同頻干擾、鄰頻信號干擾和帶外干擾3種基本類型［2］(見圖1)。

通常所稱的寄生通道干擾也屬于此類干擾。它只發(fā)生在特定的頻點，鏡頻干擾和中頻干擾是最強的寄生通道干擾［3］，其他寄生通道干擾工程上稱為雜散頻率干擾［4］。寄生通道干擾有可能分布于上述3個頻率區(qū)間。

為評估方便，因倒易混頻［4］輸出的干擾也可歸入此類。某些頻點的帶外強干擾信號與接收機本機振蕩的噪聲混頻，發(fā)生倒易混頻，此時接收機輸出端不但存在與輸入干擾信號對應的強干擾信號，而且輸出的噪聲功率密度大幅提高。

除此之外，根據(jù)接收機工作狀態(tài)，還可能存在邊帶線性竄擾［4］等干擾。

2)使接收機產(chǎn)生非線性效應的干擾

此時接收機工作于非線性狀態(tài)，產(chǎn)生非線性效應，輸出的干擾信號個數(shù)多于輸入的干擾信號數(shù)量。當接收機收到單個強干擾信號或強有用信號，可能發(fā)生阻塞，輸出眾多諧波干擾分量;當同時收到強干擾信號和有用信號后，將產(chǎn)生交調干擾;若同時收到2個強干擾信號，則將產(chǎn)生互調干擾，例如邊帶非線性竄擾。接收機的非線性效應主要由射頻前端的放大器及混頻器等非線性器件引起，例如放大器引起的諧波失真、交調失真、互調失真，混頻器產(chǎn)生的交調失真、互調失真等［3］。

3)接收機固有干擾

所謂“固有干擾”，指此類干擾不是外部干擾引起的，也不隨外部干擾及信號變化，主要包括干擾哨聲、組合音、檢波產(chǎn)生的惰性失真及負峰切割失真等接收機內部產(chǎn)生的干擾。接收機生產(chǎn)時將調試、控制固有干擾，因此檢波失真控制在允許范圍內，組合音僅在少數(shù)情況下出現(xiàn)或比較嚴重［3］。

4)自動增益誤控

目前，大部分接收機采用自動增益控制技術提高接收機的動態(tài)范圍及輸出信號的穩(wěn)定性。根據(jù)自動增益控制工作原理，在特定條件下當接收機收到強干擾信號后，將使自動增益控制電路誤動作，發(fā)生自動增益誤控［2］，降低對有用信號的增益。

2 干擾條件下接收機輸出信噪比模型

2.1 干擾條件下接收機的輸入輸出模型

通過以上分析，可總結出干擾條件下接收機的輸入輸出模型，見圖2。

圖2中，PiD為接收機有用信號輸入功率;PoD為接收機有用信號輸出功率;PiJ為接收機干擾信號輸入功率;PoJ為接收機與輸入干擾信號一一對應的干擾信號輸出功率，也適用于倒易混頻輸出的干擾;PiN為來自外部的輸入噪聲功率;PoN為外部輸入噪聲經(jīng)接收機后的輸出功率;PNL為接收機非線性效應產(chǎn)生的交互調干擾、諧波干擾等非線性產(chǎn)物輸出功率;PNm為接收機倒易混頻輸出的噪聲功率;PM為接收機固有干擾輸出功率;PN為接收機內部噪聲輸出功率。單位均為W。

2.2 接收機輸出信噪比模型

按照信噪比定義，接收機輸出信噪比數(shù)學模型為:

式中:SNR為接收機輸出信噪比，無量綱。

由此可知，在信號滿足解調門限要求的前提下，影響接收機輸出信噪比的主要因素是接收機有用信號輸出功率，以及其他無用及噪聲輸出功率的相對大小。

1)有用信號輸出功率PoD

有用信號輸出功率PoD取決于有用信號輸入功率及接收機增益。當接收機放大器工作于線性區(qū)時，接收機按照設定增益工作，有用信號得到放大;當信號或干擾的輸入功率過大時，放大器進入非線性區(qū)，對有用信號的增益將急劇下降。實際放大器增益受增益控制電路控制，并且與輸入信號(包括干擾信號)電平密切相關。接收機采用自動增益控制時，可擴大接收機放大器的線性動態(tài)范圍。

2)干擾信號輸出功率PoJ

當接收機工作于線性區(qū)時，對干擾信號的增益主要取決于放大器增益、選擇性以及干擾信號的頻率;當因輸入信號過強使接收機的放大器工作于非線性區(qū)時，接收機對干擾信號的增益將下降。目前通常采用Volterra級數(shù)進行估計，關于這方面的研究很多［5－6］。發(fā)生倒易混頻時，輸出干擾信號功率取決于接收機外部輸入干擾信號功率、接收機混頻增益、接收機對外部輸入干擾的增益等因素。

3)外部噪聲輸出功率PoN

通常假設天線噪聲等外部噪聲是加性高斯白噪聲［7］，外部噪聲經(jīng)接收機后的輸出功率主要決定于接收機的接收帶寬和放大器增益。

4)接收機內部噪聲輸出功率PN

接收機內部噪聲來源于接收機內元器件的熱噪聲和有源器件的散粒噪聲，是接收機固有的，與外界輸入信號和干擾無關。

5)非線性產(chǎn)物PNL

由上可知，當接收機輸入信號較強、使接收機工作于非線性區(qū)時，接收機發(fā)生非線性效應，非線性產(chǎn)物不可忽略。同樣非線性產(chǎn)物的幅度可用Volterra級數(shù)進行估計。

6)接收機固有干擾PM

干擾哨聲的幅度主要由接收機的中頻方案決定;組合音電平與內部各本振輸出頻率密切相關;檢波失真幅度與接收機檢波方式有關。它們的輸出電平不隨外部干擾及信號變化。

7)接收機倒易混頻輸出的噪聲功率PNm

PNm主要取決于混頻增益、接收機本振相噪特性、輸入干擾信號功率、干擾與有用信號的頻率間隔等因素。

3 接收機信噪比評估模型及減敏特性分析

根據(jù)上述分析可知，干擾條件下接收機輸出信噪比可分為2種情況進行分析。

3.1 接收機工作于線性區(qū)

接收機工作于線性區(qū)的前提是:干擾信號及有用信號小于接收機1 dB壓縮點;干擾信號的強度、頻率等特性不符合倒易混頻條件，接收機未發(fā)生倒易混頻現(xiàn)象。

此時，有用信號輸出功率PoD由輸入功率PiD及接收機設定增益決定。非線性產(chǎn)物PNL可忽略不計。外部噪聲輸出功率PoN由外部輸入噪聲功率及接收機設定增益決定。PoJ由輸入功率PiJ及接收機對干擾信號的增益決定。在接收機工作于線性區(qū)時，接收機對干擾信號與有用信號的增益間存在著明確關系。由于濾波器的作用它們之間存在相對增益差，可用選擇性表征，而無需考慮是否采用自動增益控制。

因此接收機輸出信噪比可用下式表示:

其中，PiD/PiN為有用信號輸入信噪比，無量綱;PiJ/PiN為干擾信號的輸入干噪比，無量綱;Gnom為接收機設定功率放大倍數(shù)，無量綱;CdB為接收機對干擾信號與有用信號的相對增益差，dB，即CdB=10lgGJ－10lgGnom;GJ為接收機對干擾信號的功率放大倍數(shù)，無量綱。

同時，根據(jù)接收機噪聲系數(shù)NF定義［8］，有

式中:NF為接收機噪聲系數(shù)，無量綱。

因此可得干擾條件下接收機信噪比的評估模型為:

可見，當干擾信號幅度足夠大時，即使接收機未發(fā)生非線性效應，其輸出信噪比也將隨干擾信號輸入功率增大線性下降。

根據(jù)式(4)可以評估存在干擾時接收機的信噪比。其中CdB是頻率的函數(shù)，可以分成以下情況進行估計。

1)干擾為寄生通道干擾

對于寄生通道干擾，接收機相對增益差為

其中:f為干擾信號頻率，Hz;SM為鏡頻干擾抑制比(也稱鏡頻干擾抗拒比)，dB;fM為鏡頻，Hz;SIF為中頻干擾抑制比(中頻干擾抗拒比)，dB;fIF為中頻，Hz;Sp為雜散頻率抑制比，dB;fLO為本振，Hz。

2)干擾不屬于寄生通道干擾

此時，根據(jù)圖1，可分為以下3種情形進行討論:

①干擾信號頻率處于接收機通頻帶內

當干擾信號頻率處于接收機通頻帶內時，干擾信號與有用信號一起得到放大，獲得的增益是一樣的，接收機對干擾與信號的相對增益差CdB為0，即

其中，fOR為接收機接收頻率，Hz;BR6為接收機6 dB中頻帶寬，Hz。

②干擾信號頻率處于鄰近頻帶內

此時，接收機對干擾與信號的相對增益差CdB為:

其中:Δf為f與fOR之間的頻率偏差，Hz;frL為鄰頻下限，Hz;frH為鄰頻上限，Hz;S(Δf)表示頻率偏差為Δf時的總選擇性值，dB，通常用6 dB中頻帶寬以及形狀系數(shù)SF來估計。

根據(jù)形狀系數(shù)SF的定義，假設鄰近頻帶內的選擇性為線性，可以估計出各鄰近頻點的選擇性值，見下式:

其中:SF為形狀系數(shù)，無量綱。

③干擾信號頻率位于帶外

接收機對干擾與信號的相對增益差為:

其中，SMAX為選擇性最大值，dB。

3.2 接收機工作于非線性區(qū)或發(fā)生倒易混頻

此時，接收機對有用信號增益下降，有用信號輸出功率降低。同時由于非線性產(chǎn)物PNL或倒易混頻輸出的噪聲功率PNm迅速增大，導致接收機信噪比急劇減小。

4 試驗驗證

為了驗證分析結果，對某短波數(shù)字通信接收機進行了試驗驗證。采用功率合路器同時將干擾信號、有用信號耦合至接收機輸入端。接收機采用人工增益控制模式，工作于上邊帶，6 dB帶寬為2.7 kHz。無干擾信號時，有用信號的電平使接收機輸出信噪比為34 dB。干擾信號頻率偏離接收頻率20 kHz，屬于帶外干擾。試驗結果如圖3所示，當接收機工作于線性范圍內時，接收機輸出信噪比由基本不受影響至隨干擾信號功率增長線性下降，與分析結論一致。當干擾頻率位于帶內或鄰近頻帶內時，試驗結果曲線的趨勢基本不變。

圖3 干擾條件下接收機輸出信噪比測量結果實例Fig.3 Output SNR measurements instance of the receiver under interference

5 結語

對于某一確定的干擾信號頻率，無論帶內還是帶外，減敏機理及規(guī)律如下:當干擾信號及有用信號的功率在一定范圍內、接收機工作于線性狀態(tài)時，干擾信號等效提高了“噪聲”功率，接收機輸出信噪比可用輸入信噪比、輸入干噪比、接收機噪聲系數(shù)、選擇性來評估，其規(guī)律為由基本不受影響至隨干擾信號功率增長線性下降;當干擾信號或有用信號過強從而使接收機工作于非線性狀態(tài)時，非線性效應使信噪比急速下降，甚至接收機不能正常工作;當干擾信號滿足倒易混頻發(fā)生條件時，接收機輸出噪聲功率大幅提高，信噪比迅速下降。由此可見非線性效應并非是引起接收機減敏現(xiàn)象的惟一原因。

接收機線性范圍主要由前端模擬放大器和混頻器性能決定，過強的有用信號與干擾信號均會導致接收機工作于線性范圍外。文獻［9］分析了接收機非線性以及衡量非線性的指標及測試方法。實際上，針對不同用途的接收機相關標準提供了相應的測量方法。實際接收機的線性范圍、輸出信號功率、外部噪聲輸出功率與工作狀態(tài)(例如自動增益控制或人工增益控制)有關。在評估干擾引起的接收機信噪比下降時，應考慮干擾的綜合效應及接收機特點，并結合接收機工作狀態(tài)、工作種類進行分析。

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Analysis of receiver desensitization mechanism in the presence of interference

CHENG Wei-lan1，LIU Jian-qiang1，SHEN-Li2
(1.No 91224 Unit of PLAN，Shanghai 200235，China;2.No 92956 Unit of PLAN，Dalian 116041，China)

With the responses of receivers to interferences analyzed，the input/output model and signal-to-noise ratio model of receivers were established in order to reveal the mechanism of receivers desensitization under interferences.The results show that the output SNRs of receivers are from influenced slightly decreased linearly with the increase of interferences while interferences and desired signals are within the linear ranges of receivers.In this case the output SNRs of receivers should be evaluated by input SNRs，input interference-to-noise ratios，noise figures and selectivities of receivers.The output SNRs of receivers deteriorate rapidly resulted from nonlinear effects or reciprocal mixing when interferences or desired signals are beyond the linear ranges or interferences meet the requirements of reciprocal mixing.It can be concluded that nonlinear effect is not the only reason for the desensitization of receivers.Test proved that the conclusion was correct.The result provides the guidance and the technical approach for analyzing the performances of receivers such as SNRs under interference.

electromagnetic interference;receivers;desensitization;noise figures;SNRs

成偉蘭(1972－)，女，碩士研究生，高工，主要從事艦船裝備電磁兼容性論證、試驗和控制等工作。雷達檢測概率及作用距離。

TN03;TN85

A

1672－7649(2012)03－0122－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.028

0 引言

隨著信息技術的發(fā)展，接收機得到了廣泛使用，如日常使用的無線寬帶接收機和手機，軍事領域應用的數(shù)據(jù)鏈和雷達等。由于各種發(fā)射設備的大量使用，接收機可能受到干擾。尤其是軍事領域，艦船、飛機等武器平臺內電子設備密集，電磁能量密度較大，并且裝備的發(fā)射功率愈來愈大，頻譜覆蓋范圍不斷擴大，使接收機面臨的電磁環(huán)境日益復雜。

實踐表明，電磁干擾將使接收機發(fā)生減敏效應。所謂減敏，是指無用信號使接收機信噪比下降、靈敏度降低的現(xiàn)象［1］。減敏直接影響接收機的性能指標，例如降低通信接收機通話清晰度及通信質量和距離，增大無線數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率和誤組率，影響

2011－06－03;

2011－09－23