現(xiàn)代電子戰(zhàn)接收機(jī)靈敏度研究*

李慶浩，程 明，林逸群

(江南電子通信研究所，浙江 嘉興 314033)

0 引言

隨著現(xiàn)代電子戰(zhàn)系統(tǒng)的任務(wù)使命越來越多，涉及雷抗、通抗、數(shù)據(jù)鏈、敵我識別、GPS、測控、衛(wèi)通等多方面，而這些目標(biāo)信號特征和電磁環(huán)境有所不同(比如工作頻率、瞬時信號帶寬、信號特征、信號強(qiáng)弱、信號多寡等)，各具有其特點，這就決定了對靈敏度、動態(tài)范圍的要求、側(cè)重點、理解和測試方法各不相同[1,2]。在實際工作中，我們常常把靈敏度分為偵察靈敏度、偵收靈敏度；把動態(tài)范圍分為線性動態(tài)范圍、無雜散虛假響應(yīng)動態(tài)范圍(SFDR)、瞬時動態(tài)范圍等[3]。在一般情況下，動態(tài)范圍和靈敏度是一對相互依存、相互制約的指標(biāo)，對于同一系統(tǒng)，在不同的工作模式下，靈敏度和動態(tài)范圍也會有較大差別。為了具有適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力，現(xiàn)代電子戰(zhàn)接收機(jī)中，往往都預(yù)留一些放大/直通/數(shù)控衰減等控制設(shè)置(對應(yīng)高靈敏度檔、常規(guī)檔、大動態(tài)檔)；在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)目標(biāo)外界信號和電磁環(huán)境不同，接收機(jī)可以靈活改變參數(shù)設(shè)置，有意提高靈敏度(動態(tài)降低)，或有意提高動態(tài)范圍(靈敏度降低)，以達(dá)到更好的偵收目的，因此研究電子戰(zhàn)接收機(jī)的靈敏度非常有必要[4]。

1 靈敏度的含義

靈敏度是指設(shè)備接收微弱信號的能力，這種能力常與許多因素相關(guān)，因此一臺接收機(jī)常有不同的靈敏度指標(biāo)[5]。對于電子戰(zhàn)綜合軟件無線電接收機(jī)而言，在實際工作中，我們常將靈敏度區(qū)分為兩個：一個是偵察靈敏度(檢測靈敏度)，即接收機(jī)能檢測出信號存在的最小電平; 另一個是偵收靈敏度, 指接收機(jī)可以探測到信號并測量其相關(guān)瞬時參數(shù)的最小信號接收功率[1]。也可以通俗地理解：偵察靈敏度是發(fā)現(xiàn)信號所需的最低電平；偵收靈敏度是不但可以發(fā)現(xiàn)信號，還可以進(jìn)行瞬時信號參數(shù)(頻率、電平、信號類型、調(diào)制樣式、方位等)測量所需的最低電平。

常規(guī)軟件無線電接收機(jī)一般采用模擬變頻體制，噪聲系數(shù)較大，而信號采集部分A/D量化精度可以達(dá)到14位以上，一般可忽略量化噪聲影響，靈敏度計算公式如下：

S=-174+101gBW+NF+S/N.

(1)

其中：S為接收機(jī)靈敏度，單位為dBm；BW為接收機(jī)帶寬(分析帶寬)，單位為Hz；NF為接收機(jī)噪聲系數(shù)，單位為dB；S/N為所需信噪比，單位為dB[6]。

目前，比較常用的另一種接收機(jī)為：射頻數(shù)字化接收機(jī)，射頻信號不經(jīng)過變頻，而是采用分波段濾波器、放大等調(diào)理后直接送A/D采樣，采集到的高速數(shù)字信號由DSP或者FPGA進(jìn)行高速信號處理。在增益相同的情況下，射頻數(shù)字化接收機(jī)的噪聲系數(shù)比傳統(tǒng)接收機(jī)要小，同時由于射頻數(shù)字化接收機(jī)的A/D量化位數(shù)一般不高，因此后端數(shù)字采集處理帶來的噪聲系數(shù)影響將不能忽略。射頻數(shù)字化接收機(jī)的靈敏度計算公式如下：

+S/N.

(2)

其中：S為接收機(jī)靈敏度, 單位為dBm；BW為分析帶寬，單位為Hz ；NFRF為射頻調(diào)理前端噪聲系數(shù)，單位為dB ；NFAD為A/D噪聲系數(shù)，單位為dB ；G為射頻調(diào)理前端的增益，單位為dB ；S/N為所需信噪比，單位為dB[7]。

關(guān)于S/N的理解一般較容易達(dá)成一致，S/N即為不同靈敏度所對應(yīng)的信噪比：

1) 偵察靈敏度(檢測靈敏度)

對于通信電子戰(zhàn)接收機(jī)，我們通常在全景顯示窗口中偵察信號，當(dāng)信號電平比噪聲電平高1～3dB，我們認(rèn)為可以發(fā)現(xiàn)信號，S/N取1～3dB。

2) 偵收靈敏度

偵收靈敏度種類較多，根據(jù)測量瞬時信號的參數(shù)不同，所需S/N也不同，比如一般數(shù)字信號解調(diào)需要S/N12dB以上，如要獲得相對準(zhǔn)確的達(dá)到方向則要求S/N大于18dB以上[1]。由于一般電子戰(zhàn)接收機(jī)的工作頻段較寬，為了避免輸入信號組合干擾，常在射頻輸入端設(shè)置多組開關(guān)濾波器選擇信號，因此電子戰(zhàn)接收機(jī)的噪聲系數(shù)一般都不高，該靈敏度要求比較合理。

而對于BW的理解經(jīng)常會有不同，一般有三種理解：信號分析帶寬、信號帶寬、接收機(jī)模擬帶寬；我們一般將BW定義為信號分析帶寬，如公式(1)所述；對于另外兩種理解，我們下面進(jìn)行討論：

1) 有人將BW定義為信號帶寬。那是因為對于大多數(shù)軟件無線電接收機(jī)而言，我們通常將分析帶寬設(shè)置為信號帶寬，比如某超短波偵察接收機(jī)，其偵察對象為超短波通信電臺，以語音信號為主，電臺信道間隔絕大部分為25kHz，因此通常將分析帶寬設(shè)置為25kHz，與信號帶寬匹配。雷達(dá)接收機(jī)類似。

2) 另一種理解，將BW定義為接收機(jī)模擬帶寬，也即接收機(jī)瞬時帶寬。對于傳統(tǒng)接收機(jī)而言，這種理解通常也是正確的，比如傳統(tǒng)窄帶解調(diào)接收機(jī)，為了取得最佳接收效果，一般中頻會設(shè)一個相對窄帶的模擬濾波器(相對而言，并不一定是真正窄帶)，該模擬濾波器的帶寬一般盡可能的與信號帶寬、信號分析帶寬相匹配，比如通信窄帶解調(diào)接收機(jī)模擬帶寬有25kHz一檔，數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)模擬窄帶帶寬取5MHz等。當(dāng)模擬帶寬與信號分析帶寬不同時，此時會有處理增益，比如某軟件無線電接收機(jī)，模擬中頻帶寬為20MHz，信號分析帶寬為25kHz，這時需要對靈敏度公示進(jìn)行修正，如下：

S=-174+101gBWRF+NF+S/N+GP.

(3)

其中：BWRF為射頻接收機(jī)模擬帶寬；GP為處理增益，目前可以達(dá)到的處理增益在10～30dB，即實際信號分析的帶寬約為0.1～0.001BWRF[1]；比較公式(1)和公式(3)，我們發(fā)現(xiàn)，這兩個公式其實是表達(dá)一個意思，只是角度不同，最終起作用的還是信號處理鏈末端的等效噪聲帶寬。為了簡化起見，對靈敏度的定義我們不妨采用公式(1)。

需要說明的是，由于電子戰(zhàn)接收機(jī)的使命決定，我們在電子戰(zhàn)接收機(jī)的設(shè)計過程，并不能一味追求靈敏度，而是需要綜合考慮靈敏度與動態(tài)范圍，好的靈敏度往往意味著瞬時動態(tài)有一定的犧牲，二者不可兼得，需要權(quán)衡。即使對于某一具體電子戰(zhàn)接收機(jī)而言，在使用過程中，靈敏度也不是一成不變的，需要特別關(guān)注，下面進(jìn)行討論。

2 靈敏度變化

在實際使用中，為了達(dá)到更好的接收目的，我們常常需要調(diào)節(jié)電子戰(zhàn)接收機(jī)的工作模式和信號分析帶寬，此時的靈敏度變化情況我們下面進(jìn)行分析和討論。

2.1 調(diào)節(jié)工作模式

為了具有適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力，電子戰(zhàn)接收機(jī)往往都預(yù)留一些放大/直通/數(shù)控衰減等控制設(shè)置(對應(yīng)接收機(jī)工作模式：高靈敏度、常規(guī)、大動態(tài))，以適應(yīng)接收信號大小，如表1所示。

表1 接收機(jī)工作模式表

下面對接收機(jī)三種工作模式下的靈敏度進(jìn)行分析。假定中頻信號處理板的靈敏度和動態(tài)范圍較好，并與前端配合理想。

1) 常規(guī)模式

常規(guī)模式顧名思義是接收機(jī)大多數(shù)時間、常規(guī)的工作模式。在該模式下，狀態(tài)控制模塊為直通檔，假定此時接收機(jī)靈敏度S=-105dBm(CW，S/N=12dB，BW=25kHz)，此時接收機(jī)的射頻指標(biāo)如圖1所示。

圖1 常規(guī)模式指標(biāo)圖

此時NF=13dB，對應(yīng)接收機(jī)靈敏度S=-105dBm。假定此時AD的靈敏度潛力已挖掘殆盡，那么對應(yīng)AD靈敏度應(yīng)為-75dBm。

在實際工作中，我們也常常使用中頻數(shù)控衰減來調(diào)節(jié)接收機(jī)增益，假如中頻數(shù)控衰減了10dB，那么接收機(jī)增益為20dB，盡管接收機(jī)噪聲變化不大，已知AD靈敏度仍為-75dBm，那么接收機(jī)靈敏度變?yōu)?95dBm。

2) 高靈敏度模式

高靈敏度模式的含義是具有較高的靈敏度，我們將狀態(tài)控制模塊切換至LNA工作，該LNA增益一般為10～20dB，噪聲系數(shù)也較低，此時接收機(jī)指指標(biāo)如圖2所示。

圖2 高靈敏度模式指標(biāo)圖

此時NF=4.6dB，根據(jù)公式(1)可得，靈敏度S=-174+101g25000+4.6+12=-113(dBm).

與常規(guī)模式比較，高靈敏度模式的靈敏度提高了8dB，單獨(dú)看8dB可能覺得沒什么大的提升，但在實際工程中卻有比較大的意義，比如某飛機(jī)的常規(guī)作用距離為100km，在高靈敏度模式下，理論作用距離可大大提升至600km。

3) 大動態(tài)模式

大動態(tài)模式，我們是將狀態(tài)控制模塊切換至數(shù)控衰減支路工作，一般具有0-30dB的調(diào)節(jié)范圍，步進(jìn)1dB，假如數(shù)控衰減為15dB衰減，狀態(tài)控制模塊的總插損為17dB，此時接收機(jī)的指標(biāo)如圖3所示。

圖3 大動態(tài)模式指標(biāo)圖

此時NF=27.2dB，根據(jù)公式(1)可得，靈敏度S=-174+101g25000+27.2+12=-90.8(dBm)可知大動態(tài)模式的靈敏度比常規(guī)模式時有比較大的下降。在狀態(tài)控制模塊中，使用越大的數(shù)控衰減，靈敏度會變得越差，但同時更適應(yīng)大信號的接收。

2.2 調(diào)節(jié)分析帶寬

在接收機(jī)的顯控界面，我們一般都設(shè)置多檔分析帶寬，常用的分析帶寬有25kHz、12.5kHz，6.25kHz、3.125kHz等。一般接收機(jī)的默認(rèn)分析帶寬為25kHz，大多數(shù)靈敏度也在此狀態(tài)下定義和考核。假定某接收機(jī)NF=13dB，分析帶寬BW=12.5kHz，所需S/N=12dB，帶入公式(1)可得，該接收機(jī)的靈敏度：

S=-174+101g12500+13+12=-108(dBm).

假如接收機(jī)的工作模式和分析帶寬同時變化，那么接收機(jī)的靈敏度變化就有多種組合，見表2。

表2 分析帶寬與工作模式組合變化時的靈敏度

以上分析了接收機(jī)的靈敏度變化情況，采用不同的測試方法，得到的靈敏度也會有一些差異。

3 靈敏度的測試與檢驗方法

靈敏度的測試與檢驗方法大致分為兩種：直接法和間接法。

3.1 直接法

直接法就是直接測試接收機(jī)的靈敏度。該靈敏度是偵收靈敏度，測試框圖如圖4所示。

圖4 直接法測試框圖

測試步驟如下：

1) 按照測試規(guī)范設(shè)置被測接收機(jī)寬帶中心頻率、顯示帶寬、頻率分辨力和顯示門限；設(shè)置顯示門限值，直至背景噪聲剛好從顯示器上消失。

2) 設(shè)置信號源頻率為被測接收機(jī)顯示帶寬內(nèi)任一頻率，輸出電平高于被測接收機(jī)的顯示靈敏度，不加調(diào)制(CW信號)。

3) 在被測接收機(jī)的顯示器上觀察到該信號后，降低信號源輸出電平，使該信號在顯示器上消失；然后增加信號源輸出電平，使該信號剛好在顯示器上穩(wěn)定顯示為止(S/N一般需要1～3dB)，此時的信號源輸出電平，即為被測接收機(jī)在該頻率點的顯示靈敏度(偵察靈敏度)；增加信號源輸出，使該信號在顯示器上顯示比底噪高12dB時，記錄此時信號源輸出，即為被測接收機(jī)在該頻率點的偵收靈敏度[8]。

3.2 間接法

當(dāng)接收機(jī)不具備直接法測試的條件時，比如沒有頻譜顯示功能，我們也常采用間接法測試接收機(jī)的靈敏度。間接法的原理是測試接收機(jī)的噪聲系數(shù)，根據(jù)所需BW和S/N，然后代入公式(1)，反推出靈敏度。該靈敏度為偵收靈敏度，測試框圖如圖5。

圖5 間接法測試框圖

測試步驟如下：

1) 連接噪聲系數(shù)儀的輸入和輸出，完成噪聲系數(shù)儀的校準(zhǔn)。

2) 設(shè)置被測接收機(jī)在寬帶信道(6MHz)。

3) 被測接收機(jī)在工作頻率范圍內(nèi)，任意設(shè)置n個工作頻率，n由產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定，增益控制范圍為MGC，并使射頻、中頻增益最大。

4) 分別記錄噪聲系數(shù)測試儀指示的被測接收機(jī)在各頻率上的噪聲系數(shù)NF。

5) 已知NF、BW、S/N，代入公式(1)，得到各頻率點的靈敏度。

假如測試得到NF=5dB，那么代入公式(1)得到靈敏度。

S=-174+101g6000000+5+15=86.2(dBm).

由以上測試方法可知，直接法需要靠人為判斷，相對主觀一些；間接法靠儀器測量，相對客觀一些。

4 結(jié)束語

本文對現(xiàn)代電子戰(zhàn)接收機(jī)靈敏度的含義、靈敏度的變化、靈敏度的測試與檢驗方法等做了研究和探討。在此之前，已經(jīng)有許多前輩的著作和論文對此做了權(quán)威的敘述，所以本文是對現(xiàn)代電子戰(zhàn)接收機(jī)靈敏度的探討和有益補(bǔ)充。