寬帶接收機(jī)抗背景干擾問(wèn)題研究

張英浩，戚瓏贏，胡子楊，孫 遜

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153）

0 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展和人們需求的不斷增大，各種功能的無(wú)線電設(shè)備越來(lái)越多，電磁頻譜越來(lái)越擁擠，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，從而對(duì)寬帶接收機(jī)［1?2］的干擾也更加嚴(yán)重。尤其是在UHF和L波段，各種民用通信頻段包含其中，電磁頻譜異常豐富，如常見(jiàn)的通信基站2G、3G、4G信號(hào)［3］。各種背景信號(hào)進(jìn)入寬帶接收機(jī)，對(duì)正常接收信號(hào)形成干擾，造成接收機(jī)底噪大大提高，接收信號(hào)的信噪比嚴(yán)重惡化，影響接收機(jī)對(duì)有用信號(hào)的接收處理。寬帶接收機(jī)抗背景干擾設(shè)計(jì)是目前寬帶接收機(jī)的一個(gè)迫切需求。

本文針對(duì)某L波段寬帶接收機(jī)受背景干擾問(wèn)題，對(duì)背景干擾機(jī)理進(jìn)行了分析，根據(jù)干擾機(jī)理對(duì)接收機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了接收機(jī)抗背景噪聲能力。

1 背景干擾機(jī)理分析

L波段寬帶接收機(jī)由帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器和數(shù)字模塊等組成，工作頻段為0.7～2 GHz，其原理框圖及主要性能指標(biāo)分配如圖1所示。圖中，帶通濾波器用于對(duì)帶外信號(hào)的抑制以防止帶外信號(hào)對(duì)接收機(jī)的干擾，低噪放放大器（LNA）用于接收寬帶信號(hào)的低噪聲放大，混頻器用于將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，中頻濾波器用于中頻信號(hào)濾波，中頻放大器用于中頻信號(hào)的放大，數(shù)字模塊用于中頻信號(hào)的模數(shù)變化及數(shù)字信號(hào)處理［4］。經(jīng)計(jì)算，接收機(jī)增益為48 dB，噪聲系數(shù)為2.52 dB，射頻前端（含低噪聲放大器和混頻器）輸入P-1點(diǎn)約為-24.5 dBm。

圖1 原寬帶接收機(jī)原理框圖

該寬帶接收機(jī)一般工作正常。但是，隨著目前移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，L波段電磁頻譜越來(lái)越擁擠，該寬帶接收機(jī)越來(lái)越受到電磁背景的干擾，特別是在移動(dòng)通信基站附近、人口密集區(qū)域等會(huì)出現(xiàn)明顯的性能下降情況。

在L波段附近民用通訊信號(hào)頻譜豐富，采用喇叭天線和頻譜儀采集到的空間電磁頻譜情況如圖2所示，頻段覆蓋了 0.8～2.5 GHz。

圖2 采集到的空間電磁頻譜

在有些場(chǎng)合，這些復(fù)雜的背景電磁頻譜功率較大，進(jìn)入寬帶接收機(jī)后會(huì)使得前端射頻器件產(chǎn)生飽和非線性失真現(xiàn)象，背景干擾信號(hào)相互交調(diào)，造成接收機(jī)底噪大大提高。同時(shí)，有用信號(hào)由于前端增益壓縮而幅度變小，從而接收信號(hào)的信噪比嚴(yán)重惡化，影響接收機(jī)對(duì)有用信號(hào)的接收處理。

2 改進(jìn)寬帶接收機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面分析，造成寬帶接收機(jī)受干擾的主要原因是豐富的背景干擾信號(hào)造成接收機(jī)射頻前端飽和，改進(jìn)寬帶接收機(jī)從提高接收機(jī)射頻前端的飽和點(diǎn)和對(duì)背景干擾頻譜進(jìn)行抑制兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，從而提高接收機(jī)的抗背景干擾能力。改進(jìn)寬帶接收機(jī)原理框圖及主要性能指標(biāo)分配如圖3所示。

圖3 改進(jìn)寬帶接收機(jī)原理框圖

相對(duì)于原方案，改進(jìn)寬帶接收機(jī)低噪聲放大器增益由35 dB降低為28 dB，輸出P-1點(diǎn)由12 dBm提高至20 dBm，從而提高射頻前端P-1點(diǎn)。同時(shí)，由于器件技術(shù)的發(fā)展，低噪聲放大器噪聲系數(shù)也由原2.0 dB降低為1.5 dB，保證了接收機(jī)的噪聲系數(shù)指標(biāo)。

混頻器采用高IP3混頻器，采用8個(gè)二極管組成的雙平衡混頻結(jié)構(gòu)代替原4個(gè)二極管組成的雙平衡混頻器（見(jiàn)圖4），提高了勢(shì)壘高度，進(jìn)而提升了混頻器1 dB壓縮點(diǎn)。改進(jìn)后混頻器輸入P-1由原10 dBm提高至15 dBm，從而提高射頻前端P-1點(diǎn)。

圖4 混頻器改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過(guò)低噪聲放大器增益的降低，低噪聲放大器和混頻器P-1的提高。經(jīng)計(jì)算，改進(jìn)后的寬帶接收機(jī)射頻前端輸入P-1點(diǎn)約為-9.5 dBm，與原接收機(jī)相比提高了15 dB，增強(qiáng)接收機(jī)抗背景干擾能力。

由于背景干擾頻譜分布廣泛，前端射頻器件又均為寬帶器件，因此大量干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后經(jīng)過(guò)放大器放大極易導(dǎo)致混頻器飽和。因此，在低噪聲放大器和混頻器之間增加了開(kāi)關(guān)濾波器組，將接收頻帶分為4段，如表1所示。對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分段抑制，從而減小混頻前干擾信號(hào)，提高接收機(jī)抗背景干擾能力。

表1 開(kāi)關(guān)濾波器組頻段劃分

3 試驗(yàn)情況

選擇某背景干擾較強(qiáng)的外場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn)寬帶接收機(jī)和原接收機(jī)抗背景干擾對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如圖5所示。采用喇叭天線接收外界背景干擾信號(hào)，信號(hào)源產(chǎn)生接收機(jī)正常工作接收信號(hào)。兩種信號(hào)合成后送接收機(jī)，斷開(kāi)喇叭天線則接收機(jī)沒(méi)有背景干擾，接上喇叭天線則接收機(jī)受到背景干擾。采用計(jì)算機(jī)采集接收機(jī)輸出信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，對(duì)輸出信號(hào)、噪聲和信噪比等指標(biāo)進(jìn)行有無(wú)干擾條件下的對(duì)比測(cè)試。

圖5 外場(chǎng)測(cè)試連接框圖

測(cè)試時(shí)，信號(hào)源輸入功率為-50 dBm，保證接收機(jī)使用信號(hào)源激勵(lì)時(shí)各器件未飽和。圖6為在1.1 GHz頻點(diǎn)兩種接收機(jī)在加入背景干擾前后輸出信號(hào)頻譜情況。原接收機(jī)在加入背景干擾后，底噪明顯抬升約20 dB，有用信號(hào)幅度降低約7 dB，信噪比惡化達(dá)27 dB。改進(jìn)后接收機(jī)底噪和增益無(wú)明顯變化，信噪比無(wú)惡化，相對(duì)于原接收機(jī)信噪比改善27 dB，即抗背景干擾能力提高了27 dB。其余頻點(diǎn)測(cè)試情況見(jiàn)表2。由表數(shù)據(jù)可知，在相同的外場(chǎng)背景干擾條件下，改進(jìn)寬帶接收機(jī)輸出信號(hào)信噪比惡化明顯減小，相對(duì)于原接收機(jī)信噪比改善15 dB以上，部分頻點(diǎn)改善20 dB以上，抗背景干擾能力大大增強(qiáng)。

表2 兩種接收機(jī)背景干擾下信號(hào)惡化對(duì)比

圖6 兩種接收機(jī)加入背景干擾前后輸出信號(hào)頻譜對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

受民用通信影響，L波段附近電磁頻譜豐富，寬帶接收機(jī)易受背景干擾，造成射頻前段飽和，輸出信噪比惡化，影響接收機(jī)對(duì)有用信號(hào)的接收處理。本文采用降低低噪聲放大器增益，提高低噪聲放大器和混頻器P-1方法，提高了射頻前端的飽和點(diǎn)；同時(shí)，采用在低噪聲放大器和混頻器之間增加了開(kāi)關(guān)濾波器組，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分段抑制，從而提高了寬帶接收機(jī)的抗背景干擾能力。對(duì)樣機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，改進(jìn)后接收機(jī)綜合抗背景干擾能力提升15 dB以上，部分頻點(diǎn)可達(dá)20 dB以上。這種寬帶接收機(jī)抗背景干擾改進(jìn)設(shè)計(jì)方法也可應(yīng)用于其他頻段接收機(jī)。