监测接收机及其基本知识课件.ppt

1、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.l 测试接收机l 频谱仪l 监测接收机监测接收机的典型应用l 快速探测未知信号l 在频域内搜索活动信号 l 通信信号的解调l 触发更多的功能l 集成到民用和军用的特殊系统中去 l 频带的监测 l 单频点的监测l 监测某一个频率表l 传送解调信号便于进一步处理l 存储某一活动信号监测接收机的典型应用l 追踪目标它们越来越多地应用在:l 简单覆盖测量l 符合ITU建议的测量监测接收机的特性l 集成了预选器l 优化了时间常量的AGCl 半导体开关切换-没有继电

2、器l 针对监测任务优化操作l 实时处理理念 l 特殊的功能如：静噪,COR l 有如下功能：FSCAN,MSCAN 和全景显示(RF,IF)l 内部受控序列(扫描),l 音频处理是核心l 现代化的接口(LAN)l 交流电或电池供电监测接收机的特性l 高可靠性,MTBF l 使用复杂的自检理念达到短的 MTTR（平均修正时间）l 易于集成到系统中l 为可选设备提供通用接口l 低功耗l 改善的的温度范围 l 满足移动要求的高机械强度l 满足严格的电磁兼容要求 l 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

3、些子频带或者被子倍频带通滤波器限制(fupper 10 MHz)。监测接收机最后一级中频的典型输出频率:10.7 MHz,21.4 MHz,40 MHz,70 MHz,160 MHz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:l 低的相位噪声l 相位噪声随载波偏移而减小l 高的杂散抑制l 高精度(参考)l 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

4、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:l 滤波器数量l 滤波器较陡峭 低的形状因子(60 dB:3 dB)l 多种解调方法l 从简单到复杂的调制方式l 对无线电信号的优化的自动增益控制l 使用不同的方法进行信号电平评估l 时间常数适应解调要求 l 实时数据输出 没有暂存延迟l 固定和可调的音频输出 l 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(8 MHz to 10 MHz)数字解决方案有如下决定

5、性的优点:l 较多的带宽选择,容易调整l 可实现针对不同的波形选用不同的滤波器 l 不用调整 高精确性l 温度稳定性好l 多种解调器l 适应性好、容易控制l 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:l 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)l 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:l

6、 标准的操作系统l 实时能力l 标准化的接口(在测量测试中使用在测量测试中使用 IEC/IEEE 总线总线,实时能力实时能力=?)接收机参数最重要的最重要的(首要的首要的)接收机参数接收机参数接收机参数最重要的首要的因素 l 频率范围(O-D)*l 噪声 噪声因子 噪声系数-NF(U-T)l 灵敏度(O-T)l 二阶截断点-ICP2-IP2-SOI (U-T)l 三阶截断点-ICP3-IP3-TOI (U-T)l 振荡器再辐射(U-T)l 中频抑制(U-T)l 镜频抑制(U-T)l 选择性 形状因子(O-T)接收机参数 l 振荡器(合成器)相位噪声(U-D)*l 固有杂散响应*(U-D)l 寄

7、生响应 (U-D)l 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:l 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l 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

8、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 l 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。l 原理:电流越大，产生的噪声越大。l 因此，接收机中要进行小电流设计，但这与线性度矛盾。l 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

9、 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 2211/NS/NSF 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lgF10NFaNF10F10a或接收机参数灵敏度l 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。l 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。l 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。l 下面的幻灯说明了他们的

10、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。10dBmmW10)(P3mWW10)(P)(P 50)P(VWmin,inBWlg10NFHz/dBm 174)(PdBmmin,in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=10 dB 对于 AM,S/N=25 dB 对于 FM。在这种情况下，当确定最大信噪比时，必须考虑10 dB 或25 dB的取值。例如,对一个特定的

11、带宽，当S/N为 10 dB时，灵敏度为 1 V；我们做除法 1 V:3.16(10 dB)，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=10 dB,测量结果的差别如下:按照 S+N/N大约 1 dB 按照 SIN

12、AD 大约 0.5 dB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,IP3l 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。l 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

13、率越大,线性度就越高。但是要记住:这同噪声的要求相矛盾。l 低功耗=有限的线性度 例如：EB200:功耗 17 W typ.,IP3=2 dBm typ.ESMB:功耗 40 W typ.,IP3=18 dBm typ.接收机参数互调,IP2,IP3fLOfI12fI13fI12fI23fI22fI1-fI22fI2-fI12fI1+fI22fI2+fI1fI2fI2-fI1fI1+fI2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/IP3IP2/IP3测试图需要缓冲放大器，如果:被测件需要高功率 (-10 dBm)需要测量高抑制 (50 dB)一定要:选择合适的测

14、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 Signalgenerator 1 Signalgenerator 2DUT Bufferamplifier BufferamplifierCombinerf1f2Spectrumanalyzer接收机参数互调 IP2/IP3l 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。l 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。

15、l 在这种情况下整个接受机就被测量了。l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/IP3IP2例如:f1=200 MHz,f2=410 MHz,f2-f1=210 MHz流程:接收机先调谐至 f1 然后到 f2-f1,确定取值.IP2=Pin+a finfLOfIFf1f2f1+f2f2-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/IP3IP3例如:f1=400 MHz,f2=410 MHz,2f1-f2=390 MHz,2f2-f1=420 MHz流程:顺序将接收机调谐至 f1,f2,2 f1-f2 和 2

16、 f2-f1 得到如下值.IP3=Pin+a/2finfLOfIFf1 f2 2 x f2-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2 x f1-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=1121.4 MHz,第一中频滤波器带宽=20 MHz typ.EB200:第一=3466.7 MHz,第一中频滤波器带宽=80 MHz typ.f1 f2 2 x f2-f1预选滤波器第一中频带宽

17、 2 x f1-f2f1 f22 x f2-f12 x f1-f2f1f2 2 x f2-f12 x f1-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?l 对频率选择的控制l 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)l 互调产物依赖于温度。l 两个互调产物通常有不同的值，可能会有几dB的不同;l 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)l 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

18、端不同接收频率的本振频率。例如：使用EB200，本振频率范围=3466.7 MHz 6466.7 MHz 频谱仪中没有预选器LO1 辐射相对较高。LO1LO2LO3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!LO1LO2LO3 1st IF3466.7 MHz 2nd IF394.7 MHz

19、 3rd IF 10.7 MHz信号发生器f1=3466.7 MHzf2=394.7 MHzf3=10.7 MHz接收机参数镜频抑制 EB200的频率概念接收频率范围:10 kHz 到3000 MHz第一 IF:3466.7 MHzLO1 range:3466.71 MHz 到 6466.7 MHz第二IF:394.7 MHzLO2:3072 MHz第三IF:10.7 MHzLO3:384 MHz第一镜像:fim1=fin+2 x IF1=fin+2x3466.7 MHz=6933.41 MHz 到9933.4 MHzReceive frequency rangeLO1 frequency r

20、angeImage frequency range 1st image Currentreceive frequencyfIF1fIF1fIF1fLO1Image frequency接收机参数 镜频抑制l 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+2 x IF2=fin+789.4 MHz第三镜像:fim3=fin+2 x IF3=fin+21.4 MHzl 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。l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

21、围内。调高电平直到接收机显示一个能够测量的电平。l 下一步,把不同的接收频率调整到与接收机显示电平相等。l 在信号发生器上读数即为用dB表示的镜像压缩。l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”(1st IF filter,2nd IF filter,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”3 dB(6 dB)带宽,形状因子-3 dB bandwidth-60 dB bandwidth3 dB60 dBShape factor s=-60

22、dB BW-3 dB BW接收机参数 后选择滤波器（中频滤波器）对于对于 ITU的测量的测量,6 dB 带宽是标准带宽是标准有如下原则有如下原则:滤波器选择性越好（越陡）滤波器选择性越好（越陡）,形状因子越小形状因子越小。标准值标准值:模拟滤波器模拟滤波器:2:1 到到 8:1数字滤波器数字滤波器:1.2:1到到 2.5:1数字滤波器比模拟滤波器陡得多。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 80 dBV.从调谐接收机我们可以得到电平下降3 d

23、B 或 60 dB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l 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。l 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。l 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。l 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-runningoscillator(VCO)Oscillator via PLLcoupled to referencefAf

24、LOSpurious(10 kHz)VCO:/N:/NPhasedetectorLP filter 10 MHz reference1 kHzfout45 MHz:45 000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.AfAfAfInputIFLOfin1fin2fIFIF signalLO signalInput 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

25、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l 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。l为了更方便比较,必去表明载波偏移 l例如 EB200:=-100 dBc/Hz 在10 kHz 偏移l 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。l 例如:EB200:=-110 dBc/Hz在100 kHz 的偏移下接收机参数杂散相应 内在杂散相应l 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。l 杂散响应是

26、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。l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。l 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l 自动增益控制(AGC)是无线电监测接收机的一个主要特色。l 它的先决条件是合适的接收条件，特别是对于调幅信号。l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。l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

27、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l 控制行为只有在空气中有活跃的信号时才能进行。l 应该用单边带信号评估控制的质量。(关键词:延迟增益控制).l 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。l 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。接收机参数其他的其他的(第二位的第二位的)接收机参数接收机参数接收机参数其他的 第二位的l 稳定时间(O-D)*l 无杂散动态范围-SFDR(O-D)l 输入反射-VSWR(O-T)l 阻塞(U-D)l 交调(U-D)l 1 dB 压缩点 -1dB C

28、P(O-D)l 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=3 ms,1 ms 典型值.然而,我们必须对我们讨论的频率改变进行区分。l 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)l 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。(Digiscan EB200/ESMB)接收机参数 无杂散动态范围l 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

29、。l 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。l 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l 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.l 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)l 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-VSWRl 输入反射是衡量接收

30、机阻抗是否匹配的度量。（通常50 ）l 它通常被称为电压驻波比(VSWR).l 比如数据表中 VSWR 2.该值越大，匹配越差。VSWR=1时为理想值。l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-VSWRVSWR 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。r1r1VSWRVfVrr 接收机参数 阻塞l 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。l 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

31、阻塞。l 在一定程度上，阻塞也描述了接收机的线性度,并较强地等价于 IP2 和 IP3.接收机参数 阻塞l 数据表还描述以下内容(以 EM010为例):有用信号功率为-60 dBm(47 dBV)被一个未调制的6 dBm (113 dB V)的信号（频偏100 kHz）衰减了不到3 dB.l这就说明了杂散信号电平越高，阻塞就越大。l 测量:所作的测量同上述的细节完全一致，有用信号和杂散信号加载在接收机的输入端，设置的值要符合接收机的要求。接收机参数交调l 交调是一个惹麻烦的特性，特别是对于调幅信号，它表示对一个相邻于有用信号的杂散信号的调制（如果电平高的话，杂散信号可以较远）。因此杂散信号可以

32、在有用信号中听到。l它是由混频器和放大器的线性度造成的，也就是，这些效果是伴随互调抑制产生的。一台有高的截断点值的接收机有高的交调抑制。例如:一个6 dBm，30%的调幅信号产生一个-60 dBm(100 kHz频率偏差的）10%的交调信号。测量:测量接收机本身或调制分析仪或测试接收机的调制深度（ESMB）测试配置与测试阶段点相同。(但是由于高的杂散电平，去耦非常关键。）接收机参数1dB 压缩点(1dB CP)l 1 dB 压缩点 用 dBm 描述了接收机在输入信号达到多高的电平时，线性度开始变坏。l 在线性范围内,输入电平每增加1dB，显示结果会增加同样的幅度。l 由于离开线性区，显示结果偏

33、离正确结果1 dB 的输入电平称为1 dB 压缩点。l 高的1dB 压缩点=高的线性度=高的IP 值l 测量很简单:将信号发生器的信号加载在输入端，增加电平，直到接收机显示小于1dB。接收机参数频率误差l 这个参数说明了内部参考频率（通常为10 MHz）因此是表示接收信号频率精确程度的量度.l 该精确度通常表示为:l例如:EB200/ESMB 这样输入频率为1 MHz 偏差为0.5Hz，到了3 GHz,偏差就达到1.5 kHz.mn10频率稳定度6105.0频率稳定度接收机参数频率误差l 除了上述的误差外，老化是另外一个标准。l 他说明了频率在一个较长的时间内的变化，通常表示为每日的误差。l 这一长时间的误差导致精度连续地降低。l 因此，我们建议每年调整内部振荡器。（例如：按照ITU建议的测量）。接收机参数频率误差EB200/ESMB的例子都是温度补偿（没有预热时间）的典型值。为了达到高的精度（大约亿分之一），使用了温控振荡器。缺点是他们的启动时间长，高功耗和有限的温度范围。在多数场合下,特别是在系统中,一个外部参考是有必要的。例如采用GPS的参考信号能达到比温控参考高大约 1000 到10000 倍，而不需要额外的启动时间。