頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)頻譜純度的影響因素分析?

漆家國(guó)

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)頻譜純度的影響因素分析?

漆家國(guó)

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)的輸出頻譜質(zhì)量是頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得輻射源正確的頻譜信息和內(nèi)涵信息的關(guān)鍵。介紹了一種應(yīng)用于頻譜監(jiān)測(cè)的寬帶射頻接收機(jī)架構(gòu)，分析了影響該架構(gòu)射頻接收機(jī)輸出頻譜純度的主要因素即相位噪聲的影響機(jī)理，并給出了改善相位噪聲的方法。相位噪聲改善前后對(duì)解調(diào)性能的比對(duì)表明，解調(diào)誤碼率降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

頻譜監(jiān)測(cè)；射頻接收機(jī)；頻譜純度；相位噪聲；解調(diào)誤碼率

1 引言

國(guó)外從20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)行頻譜管理系統(tǒng)的研究和構(gòu)建，其典型代表國(guó)家是美國(guó)、法國(guó)和以色列，其中又以美國(guó)構(gòu)建的系統(tǒng)最多。我國(guó)在20世紀(jì)90年代，國(guó)家無(wú)線電條例委員會(huì)發(fā)布了第一個(gè)無(wú)線電管理?xiàng)l例，標(biāo)志著我國(guó)的無(wú)線電管理系統(tǒng)正式合法化。頻譜監(jiān)測(cè)的主要使命是完成對(duì)輻射源發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量（包括信號(hào)頻率、信號(hào)功率和調(diào)制樣式等）以及對(duì)輻射源進(jìn)行測(cè)向和定位等功能。頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從功能上分為射頻接收機(jī)和處理終端兩部分，而頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)的輸出頻譜質(zhì)量對(duì)頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使命任務(wù)的完成起著決定性的作用。因此，如何提高頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)的輸出頻譜質(zhì)量一直是頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

相位噪聲和雜散是衡量頻譜質(zhì)量的兩個(gè)主要指標(biāo)。其中相位噪聲是由隨機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生，即由隨機(jī)和冪律特性的噪聲產(chǎn)生的隨機(jī)短期不穩(wěn)定性噪聲；而雜散是由因果效應(yīng)產(chǎn)生的，即確定的系統(tǒng)和離散信號(hào)在射頻信號(hào)的邊帶產(chǎn)生的頻譜分量。非線性因素產(chǎn)生的互調(diào)、頻率設(shè)計(jì)引入的中頻和鏡頻干擾等干擾分量及其解決方法，文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］都有詳細(xì)分析。文獻(xiàn)［3］側(cè)重于相位噪聲對(duì)結(jié)果的分析，而對(duì)相位噪聲惡化的機(jī)理則未進(jìn)行分析。本文對(duì)頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)輸出頻譜的相位噪聲惡化機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析，并給出了工程實(shí)現(xiàn)中的解決辦法，對(duì)改善前后的結(jié)果進(jìn)行了分析比對(duì)，驗(yàn)證了措施的有效性。

2 頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)的構(gòu)成及其特點(diǎn)

射頻接收機(jī)類型較多，在工程應(yīng)用中，都是根據(jù)具體的任務(wù)需求來(lái)選擇合適的射頻接收機(jī)類型。常見(jiàn)的接收機(jī)類型有瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)、超外差接收機(jī)、信道化接收機(jī)、聲光接收機(jī)、壓縮接收機(jī)和射頻數(shù)字接收機(jī)［4］。綜合各種射頻接收機(jī)的性能和技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前元器件和工藝的發(fā)展水平，為了較好滿足頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)的要求，一種比較適宜的頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)架構(gòu)為寬帶超外差架構(gòu)［5］。這種架構(gòu)的射頻接收機(jī)具有超外差、信道化的特點(diǎn)，即具有寬帶、高靈敏度、高截獲概率、很好的選擇性和抗干擾能力等優(yōu)越電性能，與信道化接收機(jī)相比，還具有體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)，與射頻數(shù)字化接收機(jī)相比具有偵收頻段寬等特點(diǎn)。因此，寬帶超外差射頻接收機(jī)架構(gòu)能夠較好地適應(yīng)現(xiàn)代頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。其原理框圖如圖1所示。圖中超外差的變頻次數(shù)根據(jù)監(jiān)視頻段和輸出步進(jìn)的要求，可簡(jiǎn)化為一次變頻或擴(kuò)展為三次變頻。

圖1 寬帶超外差射頻接收機(jī)原理框圖Fig.1 Schematic block diagram of RFwideband superheterodyne receiver

該架構(gòu)的射頻接收機(jī)特點(diǎn)是采用寬帶大步進(jìn)頻綜和窄帶小步進(jìn)相結(jié)合的頻率合成和變換技術(shù)，解決了寬帶射頻信號(hào)的接收和輸出中頻信號(hào)的頻率步進(jìn)問(wèn)題［5］。此外，射頻接收機(jī)還采用時(shí)鐘共源技術(shù)，解決了多源帶來(lái)的組合干擾問(wèn)題，優(yōu)化了設(shè)計(jì)。下面就針對(duì)圖1架構(gòu)，對(duì)頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)輸出信號(hào)的相位噪聲惡化機(jī)理進(jìn)行分析。

3 影響輸出頻譜質(zhì)量因素分析與解決措施

3.1 影響輸出頻譜的相位噪聲因素分析與解決措施

從圖1可知，影響射頻接收機(jī)中頻輸出頻譜相位噪聲因素有輸入射頻信號(hào)的相位噪聲和本振信號(hào)的相位噪聲。其中射頻接收機(jī)的輸入射頻信號(hào)的相位噪聲由外部傳輸路徑和輻射源特性決定，是頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備不能控制的，不在本文的討論范圍。因此，本振信號(hào)的相位噪聲成為射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。在本振參考源相位噪聲一定的條件下，本振信號(hào)的相位噪聲由本振的頻率合成方案決定，其實(shí)現(xiàn)時(shí)受到電源噪聲等因素的影響。下面分別對(duì)其進(jìn)行分析。

3.1.1 本振合成方案的影響分析與解決措施

在參考源的相位噪聲一定的情況下，本振的合成方案直接決定輸出本振信號(hào)的相位噪聲，而本振的頻率合成方案是與頻率合成技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。現(xiàn)代頻率合成技術(shù)歸納起來(lái)可以分為4類：直接模擬式（DAS）、直接數(shù)字式（DDS）、鎖相式（PLL）和組合式。其中DDS、PLL和組合式中的DDS+PLL是現(xiàn)在主要采取的頻率合成方式。

無(wú)論本振合成方案采取哪一種頻率合成技術(shù)，其本振信號(hào)的相位噪聲都受到式（1）制約：

式中，Sφr（f）為本振信號(hào)在偏離其載波頻率f處的相位噪聲（只考慮倍頻次數(shù)條件下）；Sφ0（f）為參考源信號(hào)在偏離其載波頻率f處的相位噪聲；N為倍頻次數(shù)，即本振頻率與參考源頻率的比值。

若本振合成方案采用了鎖相式合成技術(shù)或包含鎖相式合成技術(shù)的頻率合成，輸出本振信號(hào)的相位噪聲除受到式（1）約束外，還受到式（2）的制約：

式中，Sφd（f）為本振信號(hào)在偏離其載波頻率f處的相位噪聲（考慮倍頻次數(shù)和實(shí)現(xiàn)方式條件下）；LPD（f）為鑒相器隨頻率變化的基底相位噪聲；fd為鑒相器的鑒相頻率；N0為壓控振蕩器主分頻次數(shù)，即壓控振蕩器的頻率與環(huán)路鑒相頻率的比值。

由于射頻接收機(jī)的本振設(shè)計(jì)不僅受到寬頻段、低相位噪聲、低雜散、短換頻時(shí)間、細(xì)步進(jìn)和低功耗等技術(shù)指標(biāo)限制，還受到體積和重量等系統(tǒng)物理要求因素的限制。因此本振合成方案的選擇不僅要考慮頻率合成方式的選擇，而且還應(yīng)在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方式，以滿足頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)射頻接收機(jī)的要求。現(xiàn)在工程上一般采用直接數(shù)字式、鎖相式中的單環(huán)和混合式中的DDS+PLL等幾種類型，其中組合方式可以在本振實(shí)現(xiàn)上完成，也可以在射頻接收機(jī)的頻率流程上實(shí)現(xiàn)組合。

另外，本振的頻率合成方式與射頻接收機(jī)的頻率流程設(shè)計(jì)息息相關(guān)，射頻接收機(jī)在頻率流程設(shè)計(jì)時(shí)，合理分配頻率覆蓋帶寬、跳頻步進(jìn)、頻率分辨率等問(wèn)題，這樣不僅可以分解本振的實(shí)現(xiàn)難度，而且可以簡(jiǎn)化頻率設(shè)計(jì)方案，提高本振信號(hào)的相位噪聲。

3.1.2 電源噪聲的影響分析與解決措施

在本振的頻率合成中，鎖相式頻率合成技術(shù)由于其優(yōu)越的性能而得到廣泛運(yùn)用。鎖相式頻率合成技術(shù)的核心是鎖相環(huán)路，鎖相環(huán)路是一個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，它由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）、壓控振蕩器（VCO）3個(gè)基本部件組成［6］。其中壓控振蕩器是一個(gè)電壓／頻率變換裝置，在環(huán)路中作為被控振蕩器，其振蕩頻率隨輸入控制電壓線性變化，即：

式中，ωv（t）為VCO的瞬時(shí)角頻率，ωn為VCO的自由振蕩角頻率，K0為VCO的控制靈敏度，UC（t）為控制VCO的輸入控制電壓。

由式（3）可知，若UC（t）受到干擾，就會(huì)直接影響壓控振蕩器的輸出頻譜質(zhì)量，而壓控振蕩器的輸入控制電壓是鑒相器的輸出誤差電壓經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器濾波平滑產(chǎn)生。考慮到電源的效率因素，設(shè)備的二次電源供電都大量使用開(kāi)關(guān)電源，但開(kāi)關(guān)電源的噪聲比線性電源要大得多，而且噪聲頻譜為寬帶特性，若使用開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓直接給電路的器件供電，則對(duì)噪聲敏感的器件影響特別大。在工程實(shí)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，鎖相環(huán)路中的環(huán)路濾波器的輸出控制電壓對(duì)其供電工作電壓的噪聲特性十分敏感。電源的噪聲通過(guò)環(huán)路濾波器的供電電路疊加到環(huán)路濾波器的輸出控制電壓上，在式（3）中UC（t）上疊加電源的噪聲干擾m（t），可得下式：

式（4）表明，電源噪聲的隨機(jī)抖動(dòng)必然會(huì)導(dǎo)致頻率的隨機(jī)抖動(dòng)。

對(duì)式（4）進(jìn)行積分可得到VCO的輸出信號(hào)瞬時(shí)相位θ（t），用式（5）表示：

式（5）表明，電源的噪聲特性直接影響到輸出信號(hào)的瞬時(shí)相位，即電源噪聲的隨機(jī)抖動(dòng)必然會(huì)引起輸出信號(hào)瞬時(shí)相位的隨機(jī)抖動(dòng)，而描述相位隨機(jī)抖動(dòng)特性的物理量就是相位噪聲。

下面從鎖相環(huán)的相位模型角度分析電源噪聲對(duì)相位噪聲的影響機(jī)理，從而提出對(duì)電源噪聲影響的解決辦法。存在噪聲時(shí)鎖相環(huán)的相位模型如圖2所示［6］。圖中：Kd為鑒相器的鑒相增益，F(xiàn)（s）為環(huán)路濾波器的傳輸算子，K0為VCO的壓控靈敏度，θi（t）為輸入信號(hào)相位，θ0（t）為輸出信號(hào)相位，θe（t）為鑒相器輸出誤差信號(hào)相位，m（t）為電源噪聲信號(hào)。

圖2 存在干擾噪聲時(shí)的環(huán)路相位模型Fig.2 Phasemodel of PLL in noise

式中，He（s）為誤差傳遞函數(shù)，定

由圖2可得②～③的傳遞函數(shù)Hn（s）為設(shè)電源的干擾噪聲信號(hào)為m（t）=Umcos（Ωmt+θm）

由于環(huán)路在跟蹤狀態(tài)下可近似為線性系統(tǒng)，則在電源的干擾信號(hào)m（t）作用下，輸出干擾信號(hào)的振幅用模可表示為

在工程實(shí)現(xiàn)環(huán)路采用二階環(huán)，則誤差傳遞函數(shù)為

式中，ωn為環(huán)路自然諧振頻率即環(huán)路帶寬，ξ為阻尼系數(shù)，所以電源的干擾信號(hào)輸出振幅大小為（為了方便討論，取Um=1）

Bl與ξ的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 Bl-ξ的關(guān)系曲線（ωn=10）Fig.3 Relation curve of Bl-ξ（ωn=10）

從圖3可知，當(dāng)ξ=0.5時(shí)，Bl取極小值；當(dāng)0.25＜ξ＜1時(shí)，噪聲功率變化較小。為了使輸出信號(hào)的相噪在ωn處無(wú)過(guò)沖，通常取0.6＜ξ＜0.8，為了簡(jiǎn)化式（9），方便討論，取ξ=22=0.707，則式（9）可簡(jiǎn)化為

圖4 y-x的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of y-x

由圖4可見(jiàn)，y的最大值發(fā)生在x=1處，當(dāng)x＞1或x＜1時(shí)，函數(shù)值都隨x的增加或減小而減小。要獲取最佳的過(guò)濾電源噪聲，必須滿足，即：頻譜具有寬帶特性，顯然通過(guò)調(diào)整環(huán)路噪聲帶寬Bl的大小是無(wú)法完全濾除電源噪聲干擾。因此，對(duì)供電的回路采取三級(jí)濾波措施，可達(dá)到隔離和對(duì)干擾抑制的目的，具體措施如下。

（1）輸入母線的濾波：選用EMI濾波器，防止掛在母線上的設(shè)備相互干擾。

（2）開(kāi)關(guān)電源輸出濾波：采取共模濾波和差模濾波相結(jié)合的濾波方式，減小開(kāi)關(guān)電源的紋波，一般要求紋波輸出應(yīng)小于50mV。

（3）對(duì)敏感器件的濾波：采取電源饋通濾波器和線性二次穩(wěn)壓電路相結(jié)合的措施來(lái)保證濾波效果和防止同組電源不同負(fù)載件的干擾。

在采取上述濾波措施的同時(shí)，電源供電線的布線要遠(yuǎn)離信號(hào)線，更不允許供電線直接從信號(hào)線上跨越，避免電源干擾通過(guò)線路耦合進(jìn)入信號(hào)通道。

3.2 結(jié)果分析

頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)輸出信號(hào)的相位噪聲特性不僅影響系統(tǒng)的接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大小，降低對(duì)小信號(hào)的監(jiān)測(cè)概率，而且還會(huì)惡化整個(gè)接收動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的信號(hào)解調(diào)性能，解調(diào)性能的表征指標(biāo)是解調(diào)誤碼率，關(guān)于相位噪聲對(duì)信號(hào)解調(diào)誤碼率的影響在許多文獻(xiàn)中都有詳細(xì)分析和具體描述，這里就不再贅述。

圖5和圖6是利用矢量信號(hào)分析儀對(duì)采取措施前和措施后通過(guò)頻譜監(jiān)測(cè)接收機(jī)后的信號(hào)解調(diào)的星座圖。從解調(diào)信號(hào)的星座圖可知，在不改變信噪比的情況下，改善信號(hào)的相位噪聲特性后，星座圖明顯收斂，這說(shuō)明頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)射頻接收機(jī)的輸出頻譜的相位噪聲對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生了影響。在工程實(shí)現(xiàn)中，采取上述改善頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)相位噪聲的措施，輸出信號(hào)的相位噪聲優(yōu)化10 dBc／Hz＠1 kHz

（10 kHz），解調(diào)誤碼率降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，有力地提高了頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能。

由式（12）的結(jié)論可知，要想減小電源噪聲的影響，必須使環(huán)路的自然諧振頻率ωn遠(yuǎn)小于電源噪聲的頻率ω或遠(yuǎn)大于電源噪聲的頻率ω。由式（10）可知，環(huán)路的自然諧振頻率ωn與環(huán)路的噪聲帶寬Bl成正比，而環(huán)路噪聲帶寬Bl的大小決定了環(huán)路對(duì)輸入噪聲濾除能力，Bl（自然諧振頻率ωn）越小，環(huán)路對(duì)輸入噪聲濾除能力越強(qiáng)。由于開(kāi)關(guān)電源的噪聲

圖5 相位噪聲改善前解調(diào)信號(hào)的星座圖Fig.5 Constellation of demodulation signal before phase noise reduced

圖6 相位噪聲改善后解調(diào)信號(hào)的星座圖Fig.6 Constellation of demodulation signal after phase noise reduced

4 結(jié)束語(yǔ)

頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)使用范圍十分廣泛，可根據(jù)使用需求安裝在固定監(jiān)測(cè)站、移動(dòng)的車輛、艦船、飛機(jī)以及天基的衛(wèi)星等平臺(tái)上，完成對(duì)指定區(qū)域或用戶感興趣的熱點(diǎn)地區(qū)的電磁頻譜監(jiān)測(cè)。因此，提高頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)輸出頻譜純度是頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)永恒的主題，而影響頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)輸出頻譜的因素很多，包括整機(jī)方案選擇、具體電路的實(shí)現(xiàn)方案和電路實(shí)現(xiàn)形式、電路工程實(shí)現(xiàn)時(shí)的布局和布線等因素，因此，提高射頻接收機(jī)頻譜純度任重道遠(yuǎn)。本文僅僅是筆者對(duì)頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)射頻接收機(jī)研制過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)的點(diǎn)滴總結(jié)，希望對(duì)致力于研究頻譜監(jiān)測(cè)射頻接收機(jī)和關(guān)注頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能的人員有所幫助。

［1］朱慶厚.接收機(jī)虛假響應(yīng)討論［J］.電訊技術(shù)，2005，45（5）：100-103. ZHU Qing-hou.Discussion on Receiver Spurious Respose［J］.Telecommunication Engineering，2005，45（5）：100-103.（in Chinese）

［2］林肖輝.提高接收機(jī)無(wú)虛假響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍的研究［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2009（3）：49-51. LIN Xiao-hui.Research on Improving the Spur-free Dynamic Range of Receiver［J］.Radio Communications Technology，2009（3）：49-51.（in Chinese）

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Analysis of Factors Effecting the Frequency Spectrum Purity of RF Receiver for Frequency Spectrum M onitoring

QI Jia-guo
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The output spectrum quality of the RF spectrum monitoring receiver is the key to obtain correct spectrum information and relationship information from spectrum monitoring system.A framework ofwideband RF receiver used for spectrum monitoring is introduced.Themechanism of themain factor or the phase noise affecting its output spectrum purification is analysed.Furthermore，themethod of reducing phase noise is presented.Comparison of demodulation performance before and after reducing phase noise shows that the demodulation BER is decreased by one order ofmagnitude after reducing phase noise.

frequency spectrummonitoring；RF receiver；purity of frequency spectrum；phase noise；demodulation BER

the M.Sdegree in 2009.He isnow a senior engineer.His research interests include exterior ballistic measurement and electronic reconnaissance.

1001-893X（2012）04-0539-05

2011-11-03；

2012-03-15

TN850

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.023

漆家國(guó)（1972—），男，四川蓬溪人，2009年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橥鈴椀罍y(cè)量和電子偵察。

Email：xdq693174xdq＠yahoo.com.cn

QIJia-guowas born in Pengxi，Sichuan Province，in 1972.He