微波接收機(jī)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)分析

袁 洋 孟 清

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所 江蘇·南京 210000）

微波接收機(jī)是在發(fā)射機(jī)將載有信息的信號(hào)調(diào)制到射頻載波后，再通過(guò)解調(diào)經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)，在充滿噪聲的空中信道中將非常微弱的接收信號(hào)提取出來(lái)，保證信號(hào)具有足夠信噪比的同時(shí)，確保高速、精準(zhǔn)。微波接收機(jī)，本質(zhì)上是一個(gè)完整的系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師既要兼顧總體性能，針對(duì)各電路模塊的線性度、功耗、噪音系數(shù)以及增益等進(jìn)行系統(tǒng)的考慮，又要協(xié)調(diào)好各個(gè)電路模塊，不斷地修正和完善微波接收機(jī)系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)，從而有效地發(fā)揮微波遙感的作用，在充滿噪聲的空中信道中快速、精準(zhǔn)地傳輸信息。想要有效地接收信號(hào)、快速精準(zhǔn)地處理信號(hào)，微波接收機(jī)的性能就格外重要，其中信號(hào)帶寬以及頻譜會(huì)直接影響射頻收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)與電路模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要保證微波接收機(jī)具有優(yōu)良的線性度、較高的靈敏度、功率控制達(dá)標(biāo)。

1 微波接收機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析價(jià)值

微波接收機(jī)是在無(wú)線傳輸換環(huán)境之中接收微弱的信號(hào)，所接收到的都是經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)。無(wú)論是接收環(huán)境，還是信號(hào)處理，都對(duì)微波接收機(jī)的各項(xiàng)性能有著較高的要求，既要保證有足夠的信噪比，又要具有較高的靈敏度，能將微弱的微波信號(hào)從無(wú)線傳輸環(huán)境中提取出來(lái)。從接收機(jī)系統(tǒng)原理框圖來(lái)看，微波信號(hào)機(jī)是一個(gè)完整的系統(tǒng)，其功能是接收信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，整個(gè)系統(tǒng)主要由射頻濾波器、低噪聲放大器以及中頻濾波器、本振濾波器、混頻器、基帶組成，信號(hào)調(diào)制過(guò)程中，信號(hào)帶寬以及頻譜會(huì)直接影響射頻收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)和電路模塊的設(shè)計(jì)，信號(hào)的損耗、衰弱以及信號(hào)幅度起伏，與微波接收機(jī)的線性度、靈敏度密切相關(guān)。由于微波接收機(jī)具有多徑效應(yīng)、路徑損耗、時(shí)變性等特點(diǎn)，導(dǎo)致噪聲和干擾無(wú)處不在?；跓o(wú)線傳輸環(huán)境的特殊性，在射頻收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)和電路模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要考慮到信號(hào)帶寬和頻譜，修正與完善微波接收機(jī)系統(tǒng)，又要兼顧微波接收機(jī)的性能，針對(duì)微波接收機(jī)的總體性能協(xié)調(diào)好各級(jí)電路模塊以及射頻收發(fā)模塊，以保證微波接收機(jī)的線性度、靈敏度、功耗、噪音系數(shù)以及增益等性能達(dá)標(biāo)，使得信號(hào)幅度能在大范圍內(nèi)起伏，有足夠的信噪比。

鑒于此，對(duì)微波接收機(jī)的主要性能指標(biāo)展開(kāi)分析，其目的在于圍繞這些性能指標(biāo)，建立起微波接收機(jī)系統(tǒng)模型，對(duì)微波信號(hào)接收、調(diào)解處理進(jìn)行分析，包括了括線性度、靈敏度等，將各個(gè)性能指標(biāo)與實(shí)際應(yīng)用下的技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)比，從而不斷地修正、完善微波接收機(jī)系統(tǒng)，并將研究成果作為技術(shù)儲(chǔ)備，為微波接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供參考。

2 對(duì)微波接收機(jī)主要性能指標(biāo)的分析

微波接收機(jī)的性能指標(biāo)，包含了噪聲系數(shù)、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、通頻帶、最大增益、選擇性，對(duì)這些性能指標(biāo)展開(kāi)分析，是針對(duì)這些指標(biāo)對(duì)微波接收機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)接收、信號(hào)調(diào)解的影響，探究如何確保微波接收機(jī)的各項(xiàng)性能達(dá)到指標(biāo)要求。以下是對(duì)噪聲系數(shù)、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、通頻帶、最大增益、選擇性，這六個(gè)主要性能指標(biāo)的具體分析內(nèi)容：

（1）噪音系數(shù)。噪音對(duì)于任何電子系統(tǒng)而言，都具有較大的影響，特別是噪聲與干擾。微波接收機(jī)的噪音會(huì)掩蓋微弱的信號(hào)，從而影響微波接收機(jī)對(duì)微弱信號(hào)的偵測(cè)能力，也就是會(huì)影響微波接收機(jī)的極限靈敏度。大體上，微波接收機(jī)的噪音主要來(lái)源于兩個(gè)方面：一是外部噪音，指的是無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)谋尘霸胍?，包含了天空噪音、地球噪音以及人工噪音等；二是微波接收機(jī)自身產(chǎn)生的噪音，如放大器、濾波器以及檢波器等各種元件產(chǎn)生的噪音。內(nèi)部的噪音會(huì)直接影響微波接收機(jī)檢測(cè)的最小信號(hào)，意味著微波接收機(jī)只能檢測(cè)到大于內(nèi)部噪聲強(qiáng)度的信號(hào)，這也是衡量微波接收機(jī)信號(hào)接收性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)——信噪比。信噪比，指的是信號(hào)功率與噪聲功率之比，信噪比越大則越容易檢測(cè)好信號(hào)。在二端口網(wǎng)絡(luò)研究中，明確通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)上的噪聲數(shù)量，尤為重要，而代表這種特性的重要參數(shù)是噪聲系數(shù)，是定量描述一個(gè)元件或是系統(tǒng)所產(chǎn)生噪聲程度的指數(shù)。微波接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)受多種因素的影響，常見(jiàn)的有電路損耗、放大倍數(shù)以及偏壓，其公式為：

NF=輸入端信噪功率比/輸出端信噪功率比，其常用單位為分貝（dB），想要降低整個(gè)微波接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，就要先從第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)與增益入手，第一級(jí)的噪聲系數(shù)越小、增益越高，則后面的噪音系數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)就不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。

（2）靈敏度。此指標(biāo)，主要是衡量微波接收機(jī)接收與檢測(cè)微弱信號(hào)的能力，通常情況下，微波接收機(jī)的靈敏度越高，則檢測(cè)出微弱信號(hào)的能力就越強(qiáng)，這項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的定義是，在給定要求的輸出信噪比條件下，接收機(jī)在多微弱的信號(hào)功率點(diǎn)評(píng)下能工作的情況，即檢測(cè)到的最低輸入信號(hào)電平。這也意味著，當(dāng)接收到的信號(hào)能達(dá)到一個(gè)最小的信號(hào)電平，微波接收機(jī)就能正常工作，并進(jìn)行預(yù)期的輸出。然而，微波接收機(jī)的靈敏度并不是基本量，有著給定噪聲功率的前提，在衡量微波接收機(jī)信號(hào)檢測(cè)能力時(shí)，需要依賴(lài)其他參數(shù)才能確定，如信納比、中頻帶寬、信號(hào)調(diào)制，以下是描述靈敏度與這些參數(shù)關(guān)系的公式：

圖1：微波接收機(jī)系統(tǒng)框架圖

其中，S是靈敏度，NF是噪音系數(shù)，B是中頻帶寬，Ksn是信納比，Km是調(diào)制函數(shù)。根據(jù)公式可以發(fā)現(xiàn)，想要提高靈敏度，就要降低噪音系數(shù)以及減小中頻帶寬。不過(guò)，由于在寬帶微波接收機(jī)中，靈敏度是頻率的函數(shù)，并不是一個(gè)常數(shù)，正常情況下會(huì)有最高靈敏度與最低靈敏度連個(gè)指標(biāo)，但兩個(gè)指標(biāo)不能相差太多，否則過(guò)高的頻帶內(nèi)靈敏度欺負(fù)也會(huì)影響微波接收機(jī)的整體性能。

（3）動(dòng)態(tài)范圍。微波接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，是可檢測(cè)的最小信號(hào)與失真允許下接收到最大信號(hào)之間的范圍。一般情況下，微波接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍下限，也就是最小信號(hào)，會(huì)受限于噪音系數(shù)，與整個(gè)系統(tǒng)的要求與狀態(tài)也有一定關(guān)系，而動(dòng)態(tài)范圍的上限，即最大信號(hào)，則與器件的非線性指標(biāo)和自動(dòng)增益放大器控制范圍有關(guān)，一旦輸入信號(hào)過(guò)大就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失真，此時(shí)信噪比會(huì)下降。因此，當(dāng)輸入功率小于動(dòng)態(tài)范圍下限，則噪聲會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，當(dāng)輸入功率超過(guò)動(dòng)態(tài)范圍的上限，則輸出就會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。設(shè)計(jì)射頻與微波電路時(shí)，微波接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍是主要依據(jù)，正常情況下，會(huì)將動(dòng)態(tài)范圍定義為最小檢測(cè)信號(hào)的MDS到1dB壓縮點(diǎn)之間的功率范圍，而1dB壓縮點(diǎn)則指的是輸出功率與線性時(shí)相比較小了1dB，或是轉(zhuǎn)換時(shí)損耗增加了1dB的點(diǎn)，如此一來(lái)就能得到動(dòng)態(tài)范圍的表達(dá)式，如下：

（4）通頻帶。微波接收機(jī)接收到的已調(diào)波，本質(zhì)上是一個(gè)頻帶信號(hào)。正是由于已調(diào)波頻譜中的主要成分中帶寬占據(jù)一定比例，想要使得頻帶信號(hào)能在信號(hào)無(wú)失真的情況下，通過(guò)微波接收機(jī)并進(jìn)行調(diào)制，就要保證微波接收機(jī)具有足夠的工作頻帶寬度，而這個(gè)工作頻帶寬度就是通頻帶。正常情況下，若是通頻帶過(guò)寬，信號(hào)的主要頻譜成分，就能在無(wú)失真的情況下通過(guò)接收機(jī)，只是會(huì)出現(xiàn)較多的噪聲，若是頻帶寬過(guò)窄，噪聲就會(huì)降低，但也會(huì)損失有用的信號(hào)頻譜成分。這就意味著，在設(shè)計(jì)微波接收機(jī)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)師需基于通帶的幅頻衰減特性以及微波接收機(jī)所接收的已調(diào)波頻帶寬度，合理地選擇頻帶寬。

（5）最大增益。微波遙感技術(shù)中，微波信號(hào)的發(fā)送與接收，與微波信號(hào)經(jīng)饋線以及分路系統(tǒng)有關(guān)。一般情況下，天線收到的微波信號(hào)會(huì)通過(guò)微波信號(hào)經(jīng)饋線和分路系統(tǒng)，輸送到微波接收機(jī)。由于信號(hào)的衰變，接收機(jī)的輸入電平處于持續(xù)變動(dòng)的狀態(tài)，隨時(shí)隨地都在變化，要保證解調(diào)器正常用作，就要確保微波接收機(jī)的輸入電平能達(dá)到放輸出應(yīng)達(dá)到的要求。然而，由于微波接收機(jī)的輸入端信號(hào)比較微弱，接收機(jī)輸入與輸出電平就會(huì)產(chǎn)生一定差距，這個(gè)差距指的就是最大增益。設(shè)計(jì)微波接收機(jī)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)師要保證整個(gè)增益值，也就是輸出與輸入的電平差會(huì)合理地分配到微波接收機(jī)的低噪聲放大器以及前置中放和主中放等各級(jí)放大器中，均衡增益的分布，以確保接收機(jī)的主中放與前置中放輸出都能達(dá)到所要求的電平。

（6）選擇性。接收機(jī)的選擇性，是每個(gè)波道在接收信號(hào)的過(guò)程中，傾向于接收本波道的信號(hào)，體現(xiàn)在其對(duì)鄰近波道的干擾與本波道的收、發(fā)干擾的抑制作用上。微波接收機(jī)的選擇性，與增益、頻率有關(guān)，用增益—頻率特征表示選擇性，既要求通頻帶內(nèi)的增益足夠大，也要求通頻帶外的衰減越大越好，盡可能地降低通帶與阻帶之間的過(guò)渡區(qū)寬度。

3 結(jié)語(yǔ)

微波接收機(jī)是微波遙感的信號(hào)接收儀器，學(xué)者們一直以來(lái)都在不斷地完善與修正其原理與結(jié)構(gòu)，尤其是近些年來(lái)隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展、廣泛應(yīng)用，提高微波接收機(jī)的性能、優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，對(duì)微波通信信號(hào)的接收與處理具有關(guān)鍵性的影響。針對(duì)微波接收機(jī)中常見(jiàn)的性能指標(biāo)展開(kāi)分析，有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)微波接收機(jī)的功能、結(jié)構(gòu)、電路模塊做出明確的判斷與調(diào)整，以確保微波接收機(jī)具有優(yōu)良的線性度以及較高的靈敏度。結(jié)合對(duì)性能指標(biāo)的分析結(jié)果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在系統(tǒng)完善與修正過(guò)程中，既要對(duì)各級(jí)電路的工作頻率進(jìn)行系統(tǒng)性的考量，也要針對(duì)微波接收機(jī)的總體性能，控制功耗以及線性度、增益等，協(xié)調(diào)好各個(gè)電路模塊，以保證性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求。