《校准接收机讲义》PPT课件.ppt

校准接收机计量,从二十世纪五十年代开始，世界各国都在研究先进的测量技术，以准确的测量大动态范围的信号幅度。校准接收机把电压标准和衰减标准相结合，扩大电平的测量范围，为了尽可能的减少误差因素，采用中频衰减器，接收机就应采用中频衰减技术，在现代接收机中，各放大级都加了较深的负反馈，使其增益只与几个精密的高稳定线性元件有关，从而克服了非线性。混频器和检波器有一定的线性区，为了保证上述二器件工作在线性范围内，混频器前的射频衰减器、放大器和检波器前的可变增益放大器都要改变信号幅度，使信号幅度落在二器件的线性工作区域内。这样就解决了信号电平在+20dBm到-127dBm动态范围内的测量问题，使电平测量误差优于1dB。,校准接收机简介,测量正弦信号绝对幅度和相对幅度的接收机称为校准接收机； 把既能测量已调信号的调制性能又能测量正弦信号绝对幅度和相对幅度的接收机称为测量接收机，测量接收机包含了调制度分析仪和校准接收机两种功能； 对信号幅度的测量准确度要求不高而对调制度的测量准确度要求很高的接收机称为调制度分析仪； 而专门用来测量无线电干扰的接收机称为场强接收机。 通讯，导航和遥测遥控等方面用的接收机属于专用接收机，其主要指标为灵敏度、自动电平控制范围和误码率。,接收机的类别,校准接收机的基本特性,校准接收机的基本组成,校准接收机采用中频串联或并联替代技术扩大测量电平范围，一般由校准信号源、接收指示和参考源三大部分组成。,a）串联替代校准接收机,b）并联替代校准接收机,校准信号源,校准信号源部分在整个工作频率范围内提供一个稳定的、准确度较高的射频标准电压，用来校准接收机的绝对电平准确度。校准信号源由两部分组成： （一）电压标准电路部分； （二）射频信号发生器部分。,电压标准电路原理,1测热电阻作标准器件,单测热电阻电桥及检测电路方框图,双测热电阻电桥及检测电路方框图,电压标准电路原理,2薄膜热偶作标准器件 热敏器件是旁热式薄膜热偶(以下简称T.C器件)。,校准信号发生器电路方框图,电压标准电路原理,3功率计作标准器件 功率计有三种类型的传感器， 一种是热敏电阻型的， 第二种是薄膜热电偶型的， 第三种是晶体二极管型的。 HP8902A是以功率计作为标准器件的，用的是薄膜式热电偶传感器。 HP8902专用的功率座中，还装有特制的转换开关，在功率计测得外接信号绝对功率电平后，保持信号电平不变，可自动把这个电平转到接收机输入端口，使接收机获得标准电平，校准接收机的增益。,射频信号发生器,射频信号发生器提供一个失真很小，寄生调制也很小的、频率十分稳定的、频谱很纯净的射频信号。对射频信号的失真、寄生调制和频谱纯度都提出了较高的要求，这是因为接收机是选频型的，一次测量只相应一个频率，而电压标准电路中的热敏元件是广谱的，响应信号的功率。这样，接收机测量的是基波有效值Uf，而热敏器件测量的是总电压值Ub：,显然Ub Uf，产生单向系统误差为：,测试接收机8902A的校准信号源是50输出阻抗，馈给50负载的频率为50MHz、0dBm，相当于107dB(0dB=1V)的标准电压。,射频信号发生器,接收机指示电路,为了保证很高的测量准确度，要求接收机有良好的线性、优良的稳定性和精细的中频增益控制。 (一) 射频前端电路 (二) 指示电路,射频前端电路,射频前端电路包括输入衰减器、输入放大器、输入滤波器、混频器、本振和前置中放。这部分的主要功能是：一是无畸变地变换信号频率；二是输出频率稳定地中频信号；三是抑制杂散干扰。,无畸变地变换信号频率,当被测信号幅度较大时，混频器、输入放大器等器件会出现非线性，这就限制了接收机测量上限。非线性主要包括两个方面，一方面是增益压缩现象，随输入信号幅度地增加，器件的非线性会使谐波含量急剧增加，使输出信号超于饱和；另一方面，混频二极管的非线性特性会产生互调(或交调)失真。,混频器噪声系数NF与工作电流I的关系 N01,N02为中放的噪声系数,ME642A混频器前的电平设置,HP8902A混频器前的电平设置,驱动电平与噪声、失真、动态范围的关系,输出频率稳定的中频信号,为了尽可能地扩展校准接收机的测量电平的下限和提高小信号测量时的信噪比，接收机的中放带宽要尽可能的窄。带宽越窄，小信号测量的准确度就越高，可测的信号电平也会越小(或称接收机的灵敏度越高)。但当本振源频率或被测信号的频率稳定性较差时，对信号的捕捉就很困难，或捕捉到信号但还未完成测量过程信号又跑掉了。为了克服这个困难，校准接收机的本振都带有自动频率微调电路，使本振源频率能在一定范围内跟踪信号频率。常用的自动频率微调电路有鉴频式和锁相式电路。,中放通频带引起的测量误差,混频器输出中频fIF=fVfmin，这个频率要在中放通频带的平坦区域内不引起测量误差。一般都选择中放通频带的中心频率fIF=fV，通频带的平顶部分对应的频段范围应大于2fmin 。有时候会出现加AFC电路和不加AFC电路的调谐电平指示不一样的现象而引起测量误差。产生这种现象的原因有三个：第一，AFC电路的灵敏度降低，剩余频差fmin 变大，使2fmin超出了通频带的平顶部分；第二，中放滤波回路的中心频率fIF或鉴频器的中心频率fV产生了偏移，使fIF不等于 fV ，则fIF就偏向中放通频带的一方。第三，中放通频带性能变坏。通频带平顶部分变小或发生倾斜。为了消除第二种现象，接收机的鉴频器中心频率fV作为可微调的，以定期调整跟踪fIF。对于第一和第三种情况，就需要维修。AFC电路的优点是简单，可调节的频率范围较宽，适用于信号频率稳定性较差的场合。缺点是频率调节准确度较差，fmin较大，要求中放的通频带较宽，对噪声的抑制能力就较差。,抑制杂散干扰,对各级放大器、混频器、滤波器等都仔细地加以屏蔽，整机再次屏蔽，就能有效地抑制外界杂散干扰；对于从输入端窜入的干扰就要靠内部电路加以抑制。主要的是中频直通干扰信号和镜象频率干扰信号。 (1) 抑制中频直通干扰信号 在多次变频的接收机中，频率等于或接近于任何一级中频频率的干扰信号都可能窜入接收机中频回路，破坏接收机的正常工作，这就是中频直通干扰。抑制的方法又两种：第一种是混频器前加调谐放大器或调谐输入回路，第二种是采用高中频或低中频，使第一中频频率在被测信号频段之外，在混频器前加低通或高通滤波器来抑制中频直通干扰。,抑制杂散干扰,(2) 抑制镜象频率干扰信号 接收机在正常工作时，都采用下变频，即fIF1=fL1-fs。当频率fn=fs+2fIF1的干扰信号窜入接收机时，与第一本振频率混频，也可以产生一个中频fIF1=fn-fL1=fs+2fIF1-fL1，这就成为干扰正常信号测量的干扰信号，这个干扰信号的频率和信号频率是以本振信号频率为对称的，故称为镜象频率干扰。抑制镜象频率干扰信号的方法与抑制中频直通信号的方法基本相同。,指示电路,指示电路包括主中放级、检波电路和电表电路三部分。 1.主中放级 主中放级由变增益中放级和步进增益中放级两部分组成。变增益中放级的主要作用是补偿射频前端电路的频响误差的。HP8902A接收机是全自动校准过程，测量前给HP8902A输入一组频率校准系数对，存入控制器的内存中。测量时，先测频率，接收机的控制器根据频率值从内存中找出相应的校准系数，计算出相应的电压值，按一下校准键(CALIBRATOR)这个电压值改变可变增益放大器的增益，达到校准的目的。当被测频率不是频率校准系数对中的频率时，控制器从相邻的左右两频率中选出校准系数用内插法求出对应于被测频率的校准系数进行校准。故接收机能在所有频率上进行增益校准。步进增益中放级的作用是在较大范围内改变信号幅度，以保证送到检波器输入端的信号幅度为一基本恒定值。在串联替代方式的接收机中，由标准衰减器和固定增益中放组成步进增益中放级。RS2、RS3、DO16(ZN2040)型接收机中，在主中放之前插入一个标准衰减器，随输入信号幅度的大小，改变标准衰减器的衰减量，保证主中放的输入信号为一个基本固定的值。在HP8902A中，把标准衰减器和固定增益的中放级分别组合。由三级固定+20dB增益的中放级和10dB、20dB标准衰减器组成。当信号幅度最大时，总增益为0dB ，随信号幅度的减少总增益以10dB步进增加，保持输出电平(即检波器的输入电平)的变化量小于10dB。它的增益是根据信号幅度的大小由控制器自动变化的。由于采用串联替代的接收机的主中放增益直接影响测量的准确度，故要求主中放的增益准确且稳定。在采用并联替代的接收机中，如ME642A接收机中，输入到主中放输入端口的信号幅度变化较大，为了保证检波器输入端的信号幅度变化最小，主中放的增益就是步进变化的，由于并联替代方法是在主中放的输入端口比较两路信号的大小，故对主中放增益的准确度要求不高，要求增益很稳定。可用改变负反馈量的方法改变增益，1dB步进从30dB增加到90dB，这样送到检波器的信号变化范围为1dB，故不要求检波器在很宽得动态范围保持线性好。,指示电路,2检波电路 (1) 平均值检波器,(2)有效值检波器,同步检波器,在现代校准接收机中，无一例外使用同步检波器，这是因为调谐式窄带滤波器虽然能滤除干扰信号及噪声，但中心频率不稳，带宽与中心频率有关，故滤波电路的有效Q值不可能无限高，以致不可能把滤波器的通频带做得无限窄。另外，被测信号的频率也不会很稳定，其变化量限制了通频带不能太窄，这样就限制了对干扰和噪声的抑制。同步检波器是滤除噪声和其他干扰的一种有效的方法。它没有包络检波器的噪声倍增效应，噪声是附加在直流输出上的一个交流分量，可以用低通滤波的方法降低影响。同时，只有同相位的噪声才附加在直流电平上，正交分量被抑制，进一步降低了噪声的影响。它由信号通道滤波器、相敏检波器(一般是模拟乘法器，也称为混频器)和低通滤波器三部分组成。,锁相同步检波器,当输入到检波器的中频稳定性较差，漂移较大时，可采用调制型同步检波器。中频信号通过调制器被低频信号调制，再经过幅度检波器和低通滤波器，检出低频信号，其幅度反映了输入中频信号的幅度值。这种作法的实质也是进行频率变换，把工作频率由中频变为低频，使同步检波器的工作频率为稳定的调制源的基频，保证了同步检波器的稳定工作。,调制型同步检波器,并联替代接收机中的同步检波器,电表电路,在校准接收机中，目前应用两种电表电路：模拟电路和数字电压表电路。HP8902A采用数字电压表作电平指示。,参考信号源,参考信号源由与接收机中频(低中频)相等的晶体信号源、噪声产生器、标准衰减器及射频前级的级误差修正电路组成，在输入信号幅度不同时，射频衰减器的设置是不一样的，其设置不同，输入端的匹配情况及误差情况也不同。,校准接收机的检定,校准接收机是一台高准确度宽动态范围的电平测量设备。故对校准接收机的计量检定主要是校准电平和相对电平(衰减)两大部分。由于它是调谐超外差式电平表，故它的频率准确度受调谐机构和中频带宽(检波带宽)的限制不可能很高(带有频率计数功能的可较高)，该项列为参考性指标，只要它能调谐收到信号就可以认为调谐部分工作正常。另外由于接收机都有AFC(自动频率跟踪)电路或锁相环路，故中频带宽也无法单独测量，带宽是否正常，只能反映在噪声对低电平测量准确度影响的程度中。,检定系统及其工作原理,接收机频率显示的检定是在工作正常性检查之后检定频率显示的(或刻度)范围及误差的，由一台信号源，频率计和功分器组成，如图1421所示的检定原理框图。信号源和频率计的频率范围应大于被检校准接收机的范围，上下限扩展约20%，频率计的承受功率应大于0dB，信号源的输出功率应大于10dB。用频率计做频率检定，其不确定度应为，通过间接测量进行检定。,检定方法,校准接收机的频率范围及显示（刻度）误差的检定一般按如下步骤进行： 1按图1421连接仪器设备，并按规定预热。 2被检校准接收机频率置于最低（或每一波段的最低），调节信号源的输出频率使校准接收机收到信号并指示最大值，此时在频率计数器上读出频率值，应符合被检校准接收机的下限频率值要求，然后向上调节信号源频率，同时对应向上调节被检接收机的频率，并能收到信号，应无收不到信号的频率点。,检定方法,3被检校准接收机频率置于最高（或每一波段的最高）频率点，调节信号源输出频率，使校准接收机收到信号并指示最大值，此时在频率计上读出的频率值，应符合被检校准接收机的上限频率值要求。 4在被检校准接收机的整个频段（或每个波段）按说明书的要求选几个频率点，信号源按顺序设置在这些频率点上，被控校准接收机读出的频率为，频率计上读出的的频率值为，被控校准接收机的频率显示误差为，或相对误差为： 应小于或等于说明书上给出的技术指标。,高输入阻抗校准接收机的检定方法,校准时，先把接收机测量电平放到指定位置，按下自校开关，接收机处于自校状态，输入端不接任何信号，内部校准信号源由ur端接入接收机，调整内部电压标准使校准信号源输出一个规定的标准电压，再调整接收机的增益，使其指示在规定的刻度。然后接收机打在测量状态，此时内部校准信号源与接收机断开，把外部高频电压标准接到接收输入端，调节高频电压标准的输出使接收机收到信号并指示到规定值，在高频电压标准上读出电压值，此值与内部标准电压之差值，为校准电平的误差。具体操作请参阅JJG-252-81RS2、RS3校准接收机检定规程。,低输入阻抗标准接收机的检定方法,像DO16、KH2040、ME642A型接收机，输入阻抗都是50欧姆。以ME642A为例介绍该类型接收机校准电平的检定方法。,校准接收机电压校准电平的检定电路框图,从高频电压测量的理论分析中我们可以得到，当一个衰减器连接到一个设备上，在设备的输入端的电压驻波比为SV时，在衰减器的另一端的电压驻波比Sm为：,驻波比的改善程度与衰减器的衰减量的关系,式中: ,称为双曲函数 是以奈贝为单位的衰减量，1dB = 0.1151NP(奈贝),驻波比与衰减量的关系列表,从表中看出在衰减量为某定值时，若Sv在某个范围内变化，Sm基本为一恒定值。例如选定衰减量为15dB，当SV在51.1变化时，Sm恒定为1.065，这就要求衰减器本身的电压驻波比小于Sm值。,衰减器的传输误差,衰减器的传输误差为：,上式是衰减器电压传输误差的精确表达式。但S22、i的相位一般是难以确定的，只能按最坏组合取模值，得到最大误差限：,当校准时，接收机输入端的电压驻波比在说明书中给出：1.15(0.1600MHz)和1.3(6001200MHz)，衰减器的电压驻波比为1.05时，计算电压传输误差限如下表：,衰减器的传输误差列表,功率标准的检定装置及原理,功率计/功率头组合的与频率有关的校准因子，可用功率标准校准而得到，并将校准因子存入功率计的内存中，以备调用。该类型的校准接收机内带有一个点频的0dBm校准信号源，用它完成对功率计/功率头组合的零点调节和绝对电平的校准。这个点频标准信号源可用标准功率计准确测得其值，不确定度应满足所给技术指标要求，例如0dBm0.03dB。,相对电平的检定装置,从上述校准接收机的原理可知，它是由电压(或功率)标准与中频替代技术相结合的仪器，具有中频标准衰减器(或精密的中频增益级)和线性极好的检波器的超外差接收机，相对电平就和标准衰减器具有同等的含义，因此相对电平的计量检定和衰减器的计量检定方法相同，所用仪器为： 1信号源： 输出频率范围满足被检定校准接收机的频率范围且输出幅度稳定，30分贝幅度变化优于0.05%。 2标准衰减器： 频率范围满足检定要求，能10dB和1dB步进，误差限为，70dB累计优于0.06。 3隔离衰减器： 频率范围满足要求，一般采用10dB固定衰减器驻波系统优于1.05。 我们以HP8902A接收机为例说明相对电平的检定原理。,相对电平的检定方法,完成HP8902A的自校，调节信号源输出频率为给定值例如300MHz，按一下频率键，使接收机显示被测频率300MHz，也就调出了300MHz的功率校准因子，再调节信号源输出功率，使HP8902A在功率测量状态时显示0dBm。 并按下黄色键和RF Power键转换到接收机工作状态，按下CAL键，启动校准过程(在校准期间保持信号源输出不发生变化)。把用功率计测得的结果与用接收机测得的结果精确比较，并改变接收机的增益，使得接收机的射频前端电路(包括射频衰减器、射频放大器和混频器)的误差和输入阻抗与源端失配的误差得到补偿。整个校准过程是自动完成的。校准过程完成后，每10dB步进增加标准衰减器的衰减量，读出对应的接收机上的读数。由于标准衰减器在070dB范围内，数据最好，故当标准衰减器改变到60dB时，记住此时接收机的读数，减小信号源的输出，把标准衰减器退回到10dB，调节信号源的输出，使接收机指示的读数和刚才一样。这是由于信号源的输出改变，匹配情况有所变化，用信号的输出清除这种变化的影响。继续以10dB步进改变标准衰减器，直到接收机读数为-120dBm左右。再以1dB步进改变标准衰减器，到接收机读数为-127dBm左右，记下相对应的接收机的读数。在整个过程，接收机提示要重校接收机增益时(显示RACA)，按一下CAL键，这表示接收机改变了输入端的射频衰减器(或放大器)，与系统的匹配情况有改变，需要改变接收机的增益补偿，减少误差因素。,重复性考核的目的是为了证明标准设备及对其不确定度的分析是正确的,复现性能是优良的。 重复性考核的方法是： 选用稳定性好的被检测试接收机HP8902A作为核查标准，完成预热后（一般为加电后半小时），在相对短的时间内，用本装置重复测量n次（n6），每次测得值为 得到n个测量值。n次实验标准偏差表征标准装置的重复性:,应有：,计量标准的重复性考核,计量标准的稳定性考核,计量标准经较长时间使用后，性能会下降。稳定性考核就是反复观察其值的复现性，为计量标准的维修和核查提供依据。新研制或购置的标准必须经过半年以上的稳定性考核。其具体方法是选一台稳定性和重复性较好的被检器具，每隔一个月测量一次，取n个测量值的算术平均值，作为本周期的测量结果，共测m个周期，也用贝塞尔公式计算其实验标准偏差Sm，即为稳定性：,式中， ，为每个周期内n次测量值的算术平均值 ，为m个周期的算术平均值 一般情况下，n6，m4，Sm的值应小于标准的不确定度 。,计量标准的稳定性考核举例,选择长期稳定性好的接收机HP8902A作为核查标准，每月用测量标准测量一回，每回测量n次(n6)，计算n次测量平均值 ,共测m(m4)个月，计算m个平均值的平均值 ，并用贝塞尔公式计算标准偏差Sm( )作为长期稳定性。,应有：,校准接收机的检定条件要求,（一）环境条件 环境温度：(235)C 相对湿度：80% （二）供电电源： 50Hz2Hz 220V10V （三）其他： 无影响正常工作的机械振动和电磁场干扰。,量值传递,量值传递是指将国家最高计量标准按计量检定系统逐级传递到各级计量检定单位的计量标准，在传递过程，要求准确度损失最小，方法简单易行，复现性和可靠性都很高。在高一级标准向低一级标准传递时，传递方法一般是用直接或间接测量，而受过渡性标准限制，间接测量比直接测量的准确度要损失的多些，因此在有条件的情况下首选直接测量的方法。 当标准之间的准确度相当，可以用比对的方法，也可分为直接比对和间接比对两种。例如，都是标准源(或表)时就要选用一个过渡指示器，又称为过渡性标准，间接比对受过渡性标准的准确度、稳定性和重复性的影响，量值传递关系如表1423所示。,量值传递关系表,检定规程和国军标,目前，比较通用的计量规程有两个：一个是国家通用的计量规程：JJG-252-81，RS-2、RS-3校准接收机检定规程。适用于高