接收機射頻前端噪聲特性分析

王 勇，孫 彪，楊 俊

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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接收機射頻前端噪聲特性分析

王 勇，孫 彪，楊 俊

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

噪聲是影響接收機靈敏度的重要因素之一。接收機引入的噪聲越小，接收機靈敏度就越高。分析了接收機噪聲，給出了射頻前端噪聲系數(shù)與接收機靈敏度的關(guān)系，論述了幾種改善射頻前端噪聲系數(shù)的方法。

接收機；靈敏度；射頻前端；噪聲系數(shù)

0 引 言

電子戰(zhàn)接收機的主要任務(wù)是截獲并處理敵方的雷達信號，從而識別信號源并確定其位置。在電子戰(zhàn)應(yīng)用中，任何接收機的靈敏度都要受到從天線進來的外部噪聲和射頻前端產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲的嚴重限制。如果沒有噪聲，那么無論目標信號如何微弱，只要充分加以放大，信號總是可以被檢測出來的。然而由于噪聲的存在，其與目標信號一起被放大或衰減，妨礙了對目標信號的辨別[1]。因此，對接收機射頻前端的噪聲進行研究分析，了解噪聲的特性，有助于找出降低射頻前端噪聲的方法，從而提高電子戰(zhàn)接收機的偵察靈敏度。

1 噪聲概述

接收機噪聲的來源主要有外部噪聲和內(nèi)部噪聲，前者主要指由天線引入的噪聲，后者主要指由接收機射頻前端電路即放大器、混頻器及電阻元器件等產(chǎn)生的噪聲。外部噪聲對接收機接收信號的干擾存在著時間性和空間性，因此很難精確確定。內(nèi)部噪聲則不具有以上特性，任何接收機只要一工作就有內(nèi)部噪聲產(chǎn)生，就會影響其對微弱信號的偵收[2]。實際上，在電子戰(zhàn)應(yīng)用中，外部噪聲不可能被降低，因此降低射頻前端電路產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲就成了最關(guān)鍵的問題。目前，在接收機噪聲的研究中主要以內(nèi)部噪聲的研究為主，而為衡量內(nèi)部噪聲，則引入了噪聲系數(shù)的概念。

2 噪聲系數(shù)與接收靈敏度的關(guān)系

圖1是N級級聯(lián)接收機系統(tǒng)框圖。舉例說明，圖中第1級是射頻放大器，第2級是混頻器，第3級是中頻放大器。在每一級都要將其輸出信噪比與輸入信噪比聯(lián)系起來，這樣就能確定系統(tǒng)總噪聲電平。

噪聲系數(shù)定義為系統(tǒng)輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值。對于圖1中的第N級，噪聲系數(shù)FN定義為：

(1)

圖1 N級級聯(lián)接收機系統(tǒng)框圖

噪聲系數(shù)的值越大，則說明信號傳輸過程中引入的噪聲惡化越嚴重。對于N級級聯(lián)接收機系統(tǒng)而言，當(dāng)知道各個單元的噪聲系數(shù)后，就可求出級聯(lián)后的總噪聲系數(shù)。式(2)為級聯(lián)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的計算，設(shè)第1級的噪聲系數(shù)為F1，增益為G1；第2級的噪聲系數(shù)為F2，增益為G2；第3級的噪聲系數(shù)為F3，增益為G3；依次類推，則級聯(lián)后的系統(tǒng)噪聲系數(shù)F0為：

(2)

接收靈敏度定義為接收機將目標信號從背景噪聲中分辨出來所需要的最小輸入信號功率。接收機射頻前端電路放大增益足夠高，因此接收靈敏度計算公式如下(單位為dBm)：

(3)

式中:-114為室溫下1 MHz帶寬內(nèi)的熱噪聲地板;F0為接收機的噪聲系數(shù);BR和BV分別為射頻與視頻帶寬，以MHz為單位，且BR≥2BV。

由式(3)可知，在特定的射頻與視頻帶寬下，噪聲系數(shù)越大，則接收機的靈敏度越低。

3 降低射頻前端噪聲系數(shù)的措施

射頻前端種類較多，一般均需進行變頻處理，圖2為其等效模型。整個射頻前端被等效為放大器、濾波器及混頻器3個部分，其中放大器為等效電路中的有源器件部分，濾波器及混頻器為等效電路中的無源器件部分。假設(shè)放大器的增益為GA，噪聲系數(shù)為FA，濾波器的插入損耗為L，混頻器的變頻損耗為LM，噪聲系數(shù)為FM。

圖2 射頻前端等效模型

3.1 第1級放大器前端無源器件對噪聲系數(shù)的影響

無源器件在射頻前端中是必不可少的，如濾波器、耦合器及連接電纜等等。無源器件在電路中位置的不同，其對射頻前端噪聲系數(shù)的影響也不同。如圖2所示，放大器處于射頻前端的第1級，其后濾波器對噪聲系數(shù)的影響可以忽略，這種電路形式是最常見的。然而在有些系統(tǒng)中需要在放大器前面增加濾波器或耦合器等無源器件，因此如何量化無源器件對噪聲系數(shù)的影響尤為關(guān)鍵。

假設(shè)無源器件的插入損耗為L，則當(dāng)放大器位于前級時，兩者級聯(lián)后的噪聲系數(shù)F1為：

(4)

而當(dāng)無源器件位于前級時，兩者級聯(lián)后的噪聲系數(shù)F2為：

(5)

正常情況下GA?L，則F1≈FA，此時F1

3.2 混頻器對噪聲系數(shù)的影響

混頻器和本振信號線性地把輸入頻率變換成新的頻率，即中頻頻率(IF)。若IF低于原來的射頻頻率，此過程就為下變頻；反之，為上變頻。記本振信號頻率為fLO，輸入信號為fRF，用式(6)和式(7)分別表示本振電壓和射頻電壓，此處假定fLO

VLO(t)=ALOcos(2πfLOt+θLO)

(6)

VRF(t)=ARFcos(2πfRFt+θRF)

(7)

則這2個信號相乘后得到上邊帶頻率(fRF+fLO)和下邊帶頻率(fRF-fLO)，中頻電壓為：

(8)

混頻器的噪聲系數(shù)有2種定義，單邊帶噪聲系數(shù)(FSSB)和雙邊帶噪聲系數(shù)(FDSB)。在實際測量中，噪聲發(fā)生器輸出的是寬帶噪聲，如果不加濾波器直接輸入到混頻器的輸入端，在鏡像頻率存在的情況下，此時測量的噪聲系數(shù)為FDSB；如果加入適當(dāng)?shù)臑V波器，只對目標信號進行測量，則此時測量的噪聲系數(shù)為FSSB。如果混頻器在目標信號頻率和鏡像頻率處傳輸特性基本一致，則FDSB將比FSSB大約低3 dB[3]。為減少虛假信號，大多數(shù)電子戰(zhàn)接收機在混頻器前都有預(yù)選濾波器，故實際工作中FSSB更能反映混頻器的真實噪聲系數(shù)。

一般來說，混頻器的噪聲系數(shù)等于或稍高于(約0.5 dB)變頻損耗。以圖2為例，根據(jù)式(2)計算射頻前端等效模型的噪聲系數(shù)，以求定量地分析混頻器的噪聲系數(shù)對接收機噪聲系數(shù)的影響，則有：

(9)

由式(9)可知，為了滿足F0≈FA，需要GA?LFM-1，這個結(jié)論將對接收機射頻前端的鏈路增益設(shè)計提供理論依據(jù)。

3.3 鏈路增益分配對噪聲系數(shù)的影響

一般電子戰(zhàn)接收機中都有高頻寬帶放大器，而且高頻寬帶放大器的增益總是很大的，因而在考慮射頻前端的總噪聲系數(shù)時一般只考慮高頻寬帶放大器以前各級微波單元的噪聲系數(shù)，而忽略其后各級微波單元的噪聲對總噪聲系數(shù)的影響。射頻前端增益的大小可以根據(jù)接收機指標確定，再據(jù)此合理分配各功能單元的鏈路增益。由式(2)可知，第1級放大器的噪聲系數(shù)應(yīng)盡量小，同時盡量增加放大器的增益，此時射頻前端的噪聲系數(shù)近似等于第1級放大器的噪聲系數(shù)。一般來說，結(jié)合式(9)的結(jié)論，第1級放大器的噪聲系數(shù)設(shè)置為2.0 dB左右，增益設(shè)置為20 dB左右，這樣可有效抑制混頻器及無源器件引入的噪聲惡化。

雖然第1級放大器能明顯改善接收機的靈敏度，但它所提供的額外增益可能把某些器件驅(qū)入飽和，因而使接收機的動態(tài)范圍變小，所以第1級放大器的增益也不能太大。由于低噪聲系數(shù)、高增益及高動態(tài)范圍等指標在同一只放大器中很難實現(xiàn)，因此第1級放大器傾向于低噪聲系數(shù)及高增益指標，而后級中頻放大器傾向于高動態(tài)范圍指標。

綜上，對鏈路增益進行合理分配，才能使得射頻前端在噪聲系數(shù)、增益及動態(tài)范圍等方面都具備優(yōu)良的性能。

4 結(jié)束語

噪聲對電子戰(zhàn)接收機的影響是不可避免的，但是了解其產(chǎn)生的原因和作用機理后，可以采取有效的電路設(shè)計方法來減小其對接收機靈敏度的影響。

[1] 羌琦,鄧鳳軍.雷達接收機噪聲特性研究分析[J].價值工程,2012,31(18):187-188.

[2] 張俊輝.接收機噪聲系數(shù)對接收靈敏度影響[J].電子技術(shù)與軟件工程,2013，10(20):53.

[3] 曹蕓,邱新宇,魯芳麗,張喜洋.正確測量混頻器的噪聲系數(shù)[J].中國儀器儀表，2013，8(2)：64-66.

Analysis of Noise Characteristics of RF Front-end in Receiver

WANG Yong,SUN Biao,YANG Jun

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Noise is one of the important factors to influence the receiver sensitivity.The smaller noise the receiver introduces,the better sensitivity it will have.This paper analyses the receiver noise,gives the relation between noise figure of radio frequency (RF) front-end and receiver sensitivity,discusses several methods to improve the noise figure of RF front-end in receiver.

receiver;sensitivity;radio frequency front-end;noise figure

2016-01-14

TN851

A

CN32-1413(2016)03-0083-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.021