【《接收机的基本原理分析》8800字】

PAGE18PAGE接收机的基本原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u31248接收机的基本原理分析 03651.1接收机的基本结构 0118991.1.1超外差式接收机 1322041.1.2零中频式接收机 3278031.1.3镜像抑制式接收机 5105861.1.4数字中频式接收机 7146631.1.5接收机性能特点对比 7209791.2接收机主要技术指标 876231.2.1灵敏度 8274371.2.2噪声 9227881.2.3增益 1249501.2.4动态范围 1218061.2.5线性度 14雷达信号接收机的主要技术作用之一，就是对接收信号进行了选频、放大、滤波、等过程，抑制外界的噪声，尽量的保留有用的信息。随着当前我国车载雷达通信技术的不断深化改革创新进步和快速发展，为了充分满足车载雷达接收系统和设备电子化与战斗机雷达一体化的应用需求，宽带车载雷达系统接收机和雷达软件宽带雷达系统接收机已经快速发展逐步成为国家重点技术研究课题。1.1接收机的基本结构接收器是一种能够从杂波中探测微弱无线电信号的装置，因为有用的信号常常淹没在噪声和噪音中，而且它的能量非常小（通常为负的几十dBm），所以接收器必须有一个放大过程，并在过程中检测出有用的信号，最终设由终端备显示出记录。接收机具有高频放大器、衰减器和视频检波器等[6]。本节介绍了几种比较典型的接收机类型，包括超外差式、零中频式、镜像抑制式和数字中频式接收机等，并对每一种的优缺点进行讨论分析。1.1.1超外差式接收机超外差射频接收机滤波是一种通过使用本地信号振荡器滤波和本地输入输出信号滤波进行射频混合，并将各种不同输入输出信号的预定频率误差转化后成为一个预定输出频率的一种射频接收机的方法。1918年6月，阿姆斯特朗首次提出了超外差接收的数学原理，该接收方法的主要功能是在传统无线通信技术中高频外差接收原理的基础上发展起来的。以便于满足传统电信中对高频微弱载波信号的高频接收。外差法主要的就是把一个音频输入声音信号转化成了一个音频，而超声阿姆斯特朗法主要的就是把一个音频输入声音信号转化成了一个超音频，所以我们叫做声音超外差。1919年，利用高频超外差信号原则设计制造了一台新型的高频超外差信号接收机。这种高频接收放大模式的高频性能明显地要优于目前传统的高频(直接)信号放大式的高频接收，所以至今还被广泛地作为应用于测量遥感和远程控制信号的高频接收，并且正被广泛推广应用于遥感测量和远程控制通信技术中。超外差式接收机的构成示意图2-1所示。图2-1超外差式接收机原理框图结合框图、按照雷达接收机中回波的频率变换过程，可以将超外差式接收机分为高频、中频、视频三个部分。高频部分主要是接收机前端，当发射机工作正常时，T/R和保护器通过短路连接到接收机的另一个输入端，对大信号限幅保护；混频器的主要功能是确保本振频率和传输频率是频率转换的中间频率。其中频部分指中频信号放大器、匹配滤波器。其中主要应用到AGC（AutomaticGainControl）和匹配滤波。匹配滤波技术就是为了使得信噪比达到最大值，AGC是一种反馈技术，可以使接收机在不同的环境下具有不同的增益，以便于在雷达系统跟踪的各个环路里保持合理的信号增益。视频部分为检波器和视频放大器。检波器主要作用是包络检波，同步检波（同频，正交两路）；视频放大包括线性放大，对数放大等。结合方框图可以得出结论，超外差式接收机就是将高频小信号下变频，在经过一系列处理（如放大）之后[7]，该中频信号实际上易于处理，通过对奈奎斯特采样位置的分析，可以降低后续滤波器的Q值，有利于信号的获取和处理，但这种结构最大的缺点是寄生频率干扰严重。因为微波混频器的主要特点之一是信号具有非线性，其信号干扰处理方式主要依据可以详细划分为以下四种：组合波道频率干扰、副波道频率干扰、交叉调制频率干扰以及互调式干扰。其中一种所谓的内部组合寄生频率信号干扰也被我们称之为外部寄生组合频率信号干扰，它主要指的是在应用于一种泛化外部信号和本振时所直接产生的自身一种组合频率干扰；副波道干扰是指由外来干扰和本振产生的组合干扰。交叉调制干扰是指信号和外来干扰信号形成的干扰。互调干扰是指外来干扰组合的干扰。对于超外差接收器来说，寄生频率干扰是最严重的[6]。如果射频信号fRF、本振信号fLO、以及噪声和干扰信号f1、f2一起通过该部件时，便会产生这几个信号的组合频率镜像干扰，是超外差式接收机众多干扰中的一种。镜像频率定义是，从中心频率点开始两倍中频的频率点，可以用如下式子表示：fIM=fRF±2fIF，其中f超外差式接收机的优点[9]：输出的是较低的中频信号，信道选择相对容易，因为中频信道选择滤波器对Q值的要求低；增益等级也同样可以合理化的进行增益分配，中频功率放大器也应该是主要采用增益级的等级，因为中频功率放大器的结构设计更容易，性能稳定；易于实现对两个固定低中频率信号同时进行解频解调或者AD变换。超外差式接收机的缺点[9]：组合干扰频率多[9]。因为混频器是非线性器件，当有用信号fRF、本振信号fLO以及干扰信号同时进入时，便会产生这几个信号的组合频率pf电路结构复杂，元器件数量较多，体积大，功耗高[10]。不能适应多通信标准。超外差接收机中的中频放大器和中频滤波器的可调性差、信号带宽要求和其他通信标准也不一样[11]。1.1.2零中频式接收机在超外差式接收机诞生以后，使得对其的研究不断深入，不久之后零中频式接收机便被提了出来。超外差式接收机通过将本振信号修改为与射频信号同频，便得到了零中频式接收机[12]。其原理框图如图2-2所示。图2-2零中频式接收机原理框图结合这个框图我们其实可以简单地分析其中的工作原理它就是将从天线两端输入的射频信号经过一个滤波器然后用一个低噪声射频放大器对信号进行放大，该信号放大后的电子射频本地信号通常与在相位同步环境中生成的正交本振频率信号混合，得到I、Q的正交相位同步电子射频基带的本地信号。由于零中频信号接收机的本振信号与它的射频本振信号之间的发射频率几乎完全是一样的，所以得到的正交信号均在接近于基带频率[13]。零中频式接收机的优点有如下几点：无镜频干扰，也就是不需要集成一个高Q值的滤波器，信号经过再一次放大以后传输出给I/Q下变频器，然后变换成一个两路正交基带信号。正交基带信号被可变增益放大器（VGA）放大且相位差不变，经低通滤波器后可直接进入模数转换器变换成数字信号进行处理[14]，可以有效解决超外差结构中接入多个滤波器的问题。结构简单，耗能低。零中频接收器的中频信号的频率为零，且无镜频干扰，因此接收器结构简单对于集成接收机来讲无需设计其他器件，特别是复杂的滤波器结构，大大减少了成本；另一方面零中频系统仅存在部分简易的射频信号调理模块和基带模块，直接降低了接收机的功耗，外部信号带来的干扰也更少。可适应不同的通信标准。因为通过改变本振信号的频率可以很容易的将不同频率的射频信号均下变频为基带信号，而基带信号滤波器可以很容易的设计成可编程的，从而利用处理器进行控制，从而适应不同通信标准。同时零中频式接收机也存在一些缺点：直流偏移。直流偏移源于混频。因为混频器输出之间的隔离度有限，本振信号就会泄漏到混频器的输入端，然后和自身混频，在输出端造成一定的直流偏置。该直流偏置会使得基带信号电平整体抬高，使得后续的ADC的低位失效。另一方面，直流偏移分量的能量比有用信号强，且有用信号而浸没，后者模块饱和，且接收器的灵敏度可降低。本振信号泄露。由于混频器的间隙分离程度有限，所以从本地天线发送的信号很可能经由混频器泄漏到射频端口，进而经由射频滤波器或低噪声放大器等从天线进入天线端口进行发送。从而影响其他通信系统。I、Q失调。由于锁相环产生的本振信号不能完全正交又或者混频器支路的增益不相同等一系列原因，会使混频所用的一对正交信号实际上并不严格正交，从而会造成I、Q信号失配。偶数阶次成像失真。在超外差式接收机中，我们主要是考虑奇数阶段的失真。对于一台零中频的接收机而言，我们也需要充分考虑偶数阶段的失真。由于元件的非线性，会使其产生两个频率之间的差异。对于一个理想的混频器，这个输出的信号可能会被转换为较高频率，从而使信号受到干扰。闪烁噪声。1f1.1.3镜像抑制式接收机镜像干扰一直是接收机设计中存在的一个比较棘手的问题。超外差式接收机和零中频式接收机均具备各自解决镜像干扰问题的方法。另外还有一种对于遏制和消除接收机镜像干扰有比较好的效果，从设计原理上就不存在镜像信号干扰的问题，那就是镜像抑制式接收机。主要有Hartley和Weaver[15,16]两种，分别如图2-3，图2-4所示。图2-3Hartley镜像抑制接收机结构框图图2-4Weaver镜像抑制接收机结构框图两种镜像抑制式接收机都去除了应对镜像干扰而设计的复杂的镜像抑制滤波器，而是从原理上增加了其他器件来达到抑制镜像抑制信号的目的。在Hartley结构中只发生一次混频，整个电路中只需要一个本振源和正交功分器即可，本振信号通过90度的相移来生成两个正交本振信号，射频信号分别与这两个信号混合而得到两个中频信号，将一个中频信号相移90度，与另一本机振荡器信号相加而得到中频输出[17]。在Weaver结构中产生两次混合，信号代替Hartley结构的90度移相器而重叠，在结构上需要两个不同的本地信号，正交功分给四个混频器。总体上二者均是通过频谱的搬移和频谱的叠加来实现镜频信号抑制功能。Hartley接收机电路结构简单，射频功分后的两路信号混频增益与相位失配较小，但是电路存在中频正交耦合器或者移相器，此类器件通常为窄带工作，限制了中频带宽。Weaver接收机结构混频器较多，存在更多的杂散分量，电路结构也更为复杂。该接收机的优点是从原理上完全消除了镜频干扰，即在理想条件下，完全不会有镜频干扰存在。但是实际当中的电路不可能是完全理想的电路，而且精准的90°移相很难做到，特别是在比较高的频率。因此限制了该结构接收机的应用。因为实际应用中，RC移相网络对失配很敏感，I、Q这两条路存在振幅和相位不一致的问题，由于此时的镜像信号仅通过简单的重叠来抑制，所以上述两者通常只能实现25～40dB的镜像信号抑制率[13]。1.1.4数字中频式接收机数字化中频式接收机是近些年来我国通讯技术领域的研究发展热点。近年来，数字中频式直流接收机迅速进步和发展，在技术研究和生产设计上已经取得了一些重要的成果[18-21]，在射频前端，其结构与超外差式接收机很相似，具体结构图2-5所示。图2-5数字中频式接收机结构框图数字中频接收机是射频信号通过数字滤波器、混频、放大、后进入高速高精度ADC、最后送到FPGA和DSP等模块，在中频段对信号进行采样处理，实现信道功能。数字中频接收机适用于接收处理多模式，多载波信号，具有极高的灵活性和准确性。它不需要将信号变换到基带或者低频段，避免了非线性失真和噪声影响，并且I、Q路镜像抑制比高，解决了传统模拟接收机的瓶颈问题。并且在中频就可以对信号进行数字化处理，可以方便的采用程序实现各种各样的操作处理。但是数字中频式接收机的中频频率相比于一般的超外差式接收机要高的多，所以对于ADC、FGPA、DSP的要求比较高。综合目前的情况来看，数字中频接收机仍是现在及未来的重点研究对象，很有可能得到大规模应用。1.1.5接收机性能特点对比表2-1显示了不同接收机的结构特点表2-1接收机特点对比超外差式接收机零中频式接收机镜像抑制式接收机数字中频式接收机是否需要多次变频是否是否镜像干扰存在无弱存在直流偏置无有无无集成度差集成度高差差功耗高低高较低1.2接收机主要技术指标关于低频电路和射频电路的主要性能指标，射频电路与低频电路之间存在着很大的差异。在低频电路中，其主要性能指标可能对接收机的整体性能有很大的影响，并可以区分出一个系统的优劣，同时也正是设计师们考虑工程质量的切入点。总体来说，性能指标主要有灵敏度、噪声系数、增益、动态范围、线性度等等。本小结就对这些指标进行分析，让我们能够更好地了解这些参数以及能够更好地优化从而提升接收机的整机性能。1.2.1灵敏度灵敏性是用来衡量一个接收机输出的微弱信号到达一个系统所需的信噪比，指的就是当一个接收机输出的信号达到一个系统所需要求的信噪比。通俗的讲便是接收机的接收分辨能力越强，其灵敏度越高，能接收到的信号就越弱。在接收机能够确保信号能够正常地工作的情况下，只有当接收机所接受到信号的功率超过了灵敏度，接收机才可以实现所需要的接收和处理信号，否则信号将被淹没在噪声中，无法分辨出来。随着我国现代无线通信网络和系统的飞速发展，对于无线通信的接受和输送设备要求也越来越高，接受能力强，功耗小，作用距离远等，换言之就是更多地对于灵敏性提出了要求。但是，在我们所接收到的信号中，微弱的信号和噪声往往都是同时发生和出现的，所以我们就可以使用最小的可分辨信号和噪声功率的方式来准确地表示一个接收机的灵敏性。单位是dBm，1mW的功率相当于0dBm。换算公式为：S灵敏度公式可以表示为:S式(2.2)中，k≈1.38×10−23JK，指的是玻尔兹曼常数；尽量减小级联噪声系数NF，这里需要高低噪声高频放大器（高增益）；降低信噪比SN尽量减小噪声工作带宽B。将常量数值代入，可以得到以下公式，式中所有量均为dB形式：S当D=1时，S此时的噪声灵敏度被定义为临界噪声灵敏度，当知道接收器系统中的最小输入信号功率和最低信噪比时，可根据上述方程式计算噪声系数。接收机正常运行主要有两个基本方面：其中输出功率与信噪比均须要达到必须的标准。一般来说，超外差式接收机的灵敏度控制范围在-90-110dBm。1.2.2噪声在接收机需要接收处理微弱信号时，噪声的影响很大，会影响到一个接收机的信号的能力，也就是灵敏度。接收机的噪声主要来自两个方面，一个是来自外部的噪声，第二个是内部噪声。外部噪声主要是与信号一起进入接收机的大气噪声和人为噪声等，内部的噪声主要包括高频放大器、混频电路、滤波器、馈线、检波电路等。若雷达工作在比较高的频段的时，外部噪声相对较少，噪声主要来源于接收机内部。内部噪声在一定程度上对灵敏度造成很大的影响，当微弱信号大于噪声一定程度才可以被检测到。噪声系数(也就是可以被简称为声对噪声值的影响测量因子)主要用于阐述了在各种集成电路中输出引入声对噪声的影响大小，它被广泛定义成作为一个输入信号信噪比和一个输出信号信噪比之间的一种相对性质和比值。噪声系数可以用图2-6表示，定义式可以通常可以表示下式：F=图2-6噪声系数定义示意图Si、So分别表示一个信号源输入端和输出端的相对额定信号功率，Ni、N噪声系数F的实际物理意义是由于接收器的内部噪声的影响而导致输出端与输入端之间的信噪比变差的倍数[22]，常用式(2.6)来表示噪声系数：F=其中，Ga表示一个接收机的额定功率和增益；N一般来说一条信号通路是有多个元器件组成的，也即是接收机是由不同级组成的，其中每一个元器件都会在一定程度上造成信噪比的损失。下面以两部分级联进行级联噪声系数的分析，如图2-7所示。图2-7两级级联噪声示意图其中N1=kT0Bn，其中k为玻尔兹曼常数，T代表电阻温度，单位是K，Bn为部件的通带（或者说是噪声带宽，两者在一定程度上有一定的换算关系）。G1、结合流程图可知：NN其中N0由两个部分共同组成：一个部分是N012，代表的是第一级噪声在第二级输出端所直接呈现的额定噪声功率，其值大小约为kT0BnGN将上述公式合并整理后，可以得出：F以此为切入点，可以得出n级电路级联时接收机的总噪声系数为：F从式2.11可以得出重要结论：各层级噪声的影响也不相同，级数越靠近前面，对整体噪声系数的影响越大。因此，总体噪声系数主要取决于前几级（或第一级）。因此，级联系统的第一级电路的设计在技术上是相当重要的，我们要使第一级器件的噪声系数尽可能小，从而提高增益。本文中，在接收器的天线与低噪声辐射之间放入切比雪夫滤波器，实现接收器的频带选择性。由于滤波器具有插入损耗，会有噪声影响，经估计和验证，此无源滤波器对整机的噪声系数造成1dB的恶化[23]。通常，衰减器的噪声系数可以用插入损耗来测量，其增益是插入损耗的倒数。典型的雷达接收机电路图参照图2-8。图2-8雷达接收机的高、中频部分组成图将图中的各级的额定功率和噪声系数代入式2.11，就能够直观地整理计算出一台接收机的总噪声系数：F一般选择增益大的（GR≥20dB）和低噪声高频放大器，因此F1.2.3增益增益是衡量接收机射频电路前端的另外一个重要指标，单位是dB。接在电路设计中添加灵敏度时间控制（STC）和自动增益控制（AGC），可以有效防止接收器饱和、扩大动态范围和保持增益稳定。以功率为例，其表达式可以表示为：G=但是接收机的增益并不是越大越好，它是根据接收机的系统指标实际要求确定的。如果增益过大，会影响到接收机的稳定性甚至引起自激，或者信号失真；过小的增益又会使后面的信号幅度过小。所以一般情况下接收机的增益会分散到整个线路中而不是固定在某一级直接放大。1.2.4动态范围动态范围是指接收机允许输入信号的强度变化的范围。最小输入信号强度通常用可最小检测的信号功率Simin一般接收机的动态范围的定义主要是线性动态范围、增益控制动态范围和无杂散动态范围这三种[24]。如果输出功率增加到最小可检测输出功率生成1dB的压缩，则可以定义输入信号与最小可检测信号之间的功率之比。可以公式表示：LDR=增益(即非瞬时受控动态区域)的受控信号范围。由于接收机的噪声和性能决定了接收器在一次输入一个信号的条件下，接收器所能正常地接收一个信号的下限，而这个接收信号的上限则要受到接收器的非线性约束。这种测量指标可以在实践中进行测量，因此经常用于衡量接收器性能的好坏和优劣。无杂散动态范围(瞬态动态范围)即指最大输入噪声功率等于三阶互调分量之间的功率和此时输出的噪声功率，反映的就是系统的非线性程度，瞬态动态范围越大，非线性程度就越好。只有在当一个输入的功率位于一个无杂散的动态范围以内时，在系统输出端则观察不到互调分量，当输入功率大于杂散动态范围上限时，互调分量会高于系统底噪，表现为系统的杂散分量。计算公式为：SFDR=在实际运用中，为了能够保证接收机对于大信号和小信号都均能够被检测的到，必须要具备较大的动态范围。用于提高动态范围的指标的根和方法大致分为两类[25]，分别为提高瞬时动态范围和扩大总的动态范围。提高接收机的瞬时动态范围的最有效方法之一是合理分配前端主信道内的每个级别。对于一个接收机来说，三阶截止点越高，其动态范围越大。因此，我们可以从提高三阶截止点开始。接收机的前端主通道是由多个级级联组成的，这其中的关系可以用下列表示：1式