針對PDT接收機靈敏度指標的分析及優化

謝天明，孫鵬飛，魏立研，董秀華

（1.廣州維德科技有限公司，廣州 510610；2.國家無線電監測中心哈爾濱監測站，哈爾濱 150010；3.黑龍江省工業和信息化廳伊春無線電管理處，哈爾濱 150010）

PDT警用數字集群通信系統覆蓋了公安、消防、人防、森林防火以及應急調度等諸多應用，是應急通信保障的重要手段，比如在森林防火現場，如果消防員和指揮官因為通信設備接收靈敏度的原因溝通不暢，使得撲火現場的情況無法準確的傳達，將會造成嚴重的人員和財產損失。又如在大型集會應急通信保障應用中，如果指揮官和安保人員溝通不暢，指揮官就無法把握現場的動態，從而對于各種突發事件無法做出正確的決定，造成不可估量的后果。所以在產品設計過程中，必須對各項指標嚴格進行把控。

PDT警用數字集群通信系統主要工作在V/U波段，這個波段通信的特點是“視距通信”，視距條件下，無線信號無遮擋地在發信端與接收端之間直線傳播，這要求在第一菲涅爾區（First Fresnel zone）內沒有對無線電波造成遮擋的物體，菲涅爾區的大小取決于無線電波的頻率及收發信機間距離。如果有堅硬物體突入菲涅耳區內的信號通道時，銳邊衍射就會使部分信號偏轉，致使其到達接收天線的時間略微晚于直接信號。由于這些偏轉的信號與直接信號有相位差，所以它們會降低其功率或者將其完全抵消。如果樹木或其他“軟”物體突入菲涅耳區，它們就會削弱通過的信號，降低其強度。簡而言之，盡管事實上可以看到某一個位置，但這并不意味著就能夠建立到該位置的優質無線電鏈路。

1 PDT接收機靈敏度指標及其測試

在通信過程中，衡量接收機系統的各項指標系統的指標主要有接收靈敏度、鄰道選擇性、共信道抑制、雜散響應抗擾性、阻塞、互調響應抗擾性等。其中，接收機靈敏度定義了接收機可以接收到的并仍能正常工作的最低信號強度。靈敏度指標對于基站信號覆蓋范圍的大小起到了至關重要的作用，反應了接收機接收微弱信號的能力。靈敏度指標過低，會使基站接收信號的失真度增大，導致通信質量變差、通信覆蓋范圍減小，實際應用過程中表現為基站收不到上行信號、終端設備脫網，或者話音惡化、斷續、丟字甚至無法正常通信等結果，這在一些重要通信場合是不能容忍的。

接收機靈敏度指標分為靜態靈敏度和動態靈敏度。靜態靈敏度就是在規定的測試頻率和調制方式下，當接收機誤碼率小于或者等于一定值（一般為5%）時，接收機天線端口的輸入信號功率大小；動態靈敏度則是在規定的測試頻率、調制方式和衰落環境下，當接收機誤碼率小于或者等于5%時，接收機天線端口的輸入信號功率大小。在測量方法上，動態靈敏度比靜態靈敏度增加了動態衰落模型。可見，靜態靈敏度標示了接收機在理想環境條件下所能接收的最小信號強度，而動態靈敏度是在模擬了實際使用環境的條件下接收機所能接收的最小信號強度，動態靈敏度衰落模型配置如表所示：

表1 接收機靜態與動態靈敏度

動態靈敏度更能接近反應接收機在實際使用時接收信號的能力，但是每種衰落模型都只是對現實環境中單一情況的模擬，有其固有的局限性。

本文基于硬件設計層面，主要針對靜態靈敏度進行討論。主要關注接收射頻通路，先總結關于提高接收靈敏度的各種現有經驗，再結合實際使用探討關于接收機靈敏度指標的優化，尋求切實可行的解決路徑。

2 如何提高接收機靈敏度

2.1 提高接收機靈敏度的通用方案

影響接收機靈敏度指標的因素很多，包括天饋線系統、接收機內部線纜布局、整機結構設計、射頻模塊本身的指標等，通常為了提高接收機的接收靈敏度指標，可以從以下三個方面來著手：

（1）降低接收機系統的本底噪聲。這其實從電路及結構設計的階段就開始了，貫穿于整個系統設計生產和安裝過程中。比如：結構上做好各單元電路的屏蔽，尤其是接收前端LNA電路屏蔽，確保與系統的其他電路完全隔離；射頻電路使用高性能指標的LDO電源供電，并做好電源濾波；LNA電路合理布局，做好輸入輸出匹配，信號參考層保持完整，避免在LNA電路下方走其他信號線和電源線；采用高穩定度的本振電路，保證相位噪聲足夠小；接收機前端采用低插損、高抑制度指標的濾波器；采用共增益天線也會起到降低底噪的效果，天線的擺放位置需要合理選點等。

（2）提高接收信噪比。為了提高接收機的信噪比，還是先要降低接收機本身的噪聲，然后合理放大有用信號。如何接收機本身的噪聲前面已經提到，在對接收到的小信號放大過程中，LNA需要盡量選擇噪聲系數小的放大器，并且進行合理匹配，保證最優的穩定性系數、噪聲系數和增益。以此來達到理想的接收信噪比。

（3）減小接收信號帶寬。理論上，接收信號帶寬增大一倍，接收靈敏度就會惡化3dB，因此減小接收信號帶寬對于提高接收靈敏度具有非常顯著的作用。

2.2 PDT接收機靈敏度指標分析

PDT系統屬于窄帶無線通信系統，采用TDMA（2時隙）方式，信號帶寬12.5kHz，4FSK調制，調制速率9.6kb/s。對于這樣特定的系統，接收信號帶寬是固定的，要想提高接收靈敏度，在硬件方面只能從降低系統的底噪和提高接收信噪比上想辦法。如圖1所示：

圖1 PDT接收機系統結構框圖

天線接收到信號經過濾波器處理后送給LNA電路放大并濾波，然后通過混頻得到中頻信號，再進行窄帶濾波并放大后送給AD9864進行數字化處理。

由于中頻數字化芯片AD9864的接收靈敏度是-108dBm，要想使整機接收靈敏度達到-122dBm，解調信噪比按6dB計算，理論上前端總增益有20dB就足夠了，實際上由于系統噪聲以及各單元電路之間接口匹配的原因，前端總增益需要比理論值高。但是接收前端的增益過高的話又會影響到接收互調響應抗擾性和接收雜散響應抗擾性等指標，導致接收機的性能下降，因此，需要合理分配各個接收單元電路的增益。

在接收總增益確定的情況下，為了提高接收靈敏度，在硬件方面就是需要盡量降低系統噪聲，提高接收信噪比。下面按照這個思路對接收通路中的各個射頻單元設計分別進行討論。首先，對接收機系統的電路架構和器件參數進行仿真：

圖2 接收機系統各部件仿真結果

下面，根據圖2的系統仿真結果結合實際應用測試，對每個單元電路分別進行討論：

（1）Stage 1：接收前端濾波器

前端濾波器的作用是頻帶選擇，濾除帶外干擾，減小進入LNA電路的噪聲。它最主要的指標包括品質因數（Q）和插入損耗（IL）。Q值決定了濾波器的選擇性，IL是指在通帶內信號被濾波器的衰減，對系統靈敏度有著最直接的影響，改變這個濾波器的IL指標，靈敏度會相應隨之改變。插入損耗有1dB，則信號功率被衰減20%；當插入損耗到達3dB時，則信號功率被衰減50%。其中，插入損耗指標直接影響著接收系統的靈敏度，因為IL直接增大了系統噪聲，這是后面的電路無法彌補回來的，IL每增加1dB，靈敏度就會響應減小1dB，因此，要求插入損耗指標越小越好，實際使用中不超過2dB。

（2）Stage 2：低噪聲放大器（LNA）

低噪聲放大器的作用是提高有用信號的幅度，以便正確解調。在設計過程中，通常采用低噪聲系數的器件、增加屏蔽、加強散熱減小熱噪聲等辦法，盡量減小噪聲系數。

LNA的噪聲系數會直接疊加在接收機上，產品設計中，很少孤立的設計LNA，相反，要將射頻鏈路看作一個整體來設計，在一些特殊的應用場合中采用超導體濾波器+LNA放大器，最大程度的降低接收機噪聲，可以將靈敏度提高4-6dB。

LNA的增益必須足夠大，以期能減少后級電路噪聲對總噪聲系數的影響，尤其是當后級是下變頻混頻器時。但是一味的追求提高增益會使后級的非線性更加顯著。因此，當提升放大器的增益時需要在噪聲系數和接收機的線性度之間進行折中。圖3和圖4分別顯示了提高前端低噪聲放大器LNA的增益對于靈敏度和三階互調IP3指標的影響，其中，橫坐標為放大器增益Gain。由圖可見，提高低噪聲放大器LNA電路的增益會使靈敏度得到改善，但是并不能無限的增大靈敏度，通常選擇放大器增益Gain=20dB就夠用了，并且LNA增益提高的同時會帶來噪聲系數和三階互調等指標的惡化，影響接收機性能。

圖3 提高LNA的增益對于靈敏度的影響

圖4 提高LNA的增益對于IP3指標的影響

（3）Stage 3：LNA后端濾波器

該濾波器的作用是濾除本振信號，減小混頻電路對LNA的影響，這個濾波器的噪聲系數/插入損耗指標對系統靈敏度影響不大。

（4）Stage 4：未使用

（5）Stage 5：混頻器

采用MINI公司的無源混頻器SYM-25DHW+，其插入損耗約6dB，混頻電路對于系統噪聲的影響基本上取決于本振信號的相位噪聲指標；本振電路是接收機系統中的核心電路，其穩定性和相位噪聲等指標直接決定了接收機性能的優劣，前面的射頻通路分析都是基于理想本振信號做出的。

（6）Stage 6：中頻濾波器

中頻濾波器的主要作用是提高鄰道抗擾性指標，它的插入損耗選指標會增大系統的噪聲系數，對接收靈敏度有影響，但是可以通過增大前端LNA的增益進行補償，因此，需要選用高穩定度的石英晶體濾波器，具有帶外抑制高（60dB以上），矩形系數好，頻率穩定穩定性好等優點，達到鄰道隔離、去除干擾的效果。

（7）Stage 7：中頻放大電路

中頻放大電路的作用主要是提高接收信號的幅度，以達到AD9864的接收范圍，由仿真和測試可見，它對靈敏度指標基本上沒有幫助，但是要注意盡量避免電路引入干擾，減小噪聲系數。

通過以上的仿真分析和實際測試可見，對于如何提高接收機靈敏度，需要對接收機系統做一個綜合的考量，涉及到設備的體積大小、使用環境、成本因素等。

2.3 PDT接收機靈敏度指標優化方案

在接收射頻通路中，低噪聲放大器前端的濾波器指標對接收靈敏度的影響非常關鍵，另外，就是在保證接收增益足夠的情況下，要盡量減小低噪聲放大器的噪聲系數。同時，需要合理分配各級電路的工作范圍，使信號達到穩定接收的效果。

2.3.1 合理選取前端濾波器

接收前端濾波器具有選頻的作用，其插入損耗（IL）指標對接收靈敏度有直接的影響，接收靈敏度會隨著插入損耗增加而降低，因此，這個濾波器必須是低插入損耗的，另外，還要求帶外抑制水平要足夠高，這樣才能去除帶外干擾，使接收信號變的“干凈”。

通常在接收射頻前端使用的濾波器有矩形腔體濾波器、圓筒腔體濾波器和聲表（SAW）濾波器等，每種濾波器的波形如圖5-圖8所示：

圖5 圓筒腔體單點濾波器波形

圖6 矩形腔體單點濾波器波形

圖7 矩形腔體帶通濾波器波形

圖8 聲表帶通濾波器波形

由圖可見：圓筒腔體單點濾波器的帶寬可以做到很窄，并且帶內插入損耗非常小，缺點是體積太大，并且帶外抑制度不夠理想；矩形腔體單點濾波器則可以實現很好的帶外抑制度，缺點也是體積較大，在空間較寬裕并且頻率固定的使用環境中，使用這種濾波器是最理想的；矩形腔體帶通濾波器的帶內插入損耗和帶外抑制度指標都做的非常好，非常適合于在基站中使用；聲表帶通濾波器的矩形系數是做的最好的，插入損耗指標和可以做到很低，但是帶外抑制度還是不如腔體濾波器好，尤其是在遠端，抑制度很差，其優點在于體積小，可以直接放在印制板電路上面，不占用外部空間，實際測試對比，使用腔體濾波器接收機的底噪，通常會比使用聲表濾波器接收機的底噪降低3-5dB。現有的警用數字集群（PDT）通信系統的基站信道機，接收頻帶是351MHz-356MHz，發射頻帶361MHz-366MHz，接收前端濾波器采用矩形腔體濾波器，通帶范圍帶外抑制可以達到80dB。

2.3.2 優化低噪聲放大器

低噪聲放大器處于接收機系統前端，它的主要作用放大系統接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，提高接收信號靈敏度，以供系統解調出所需的信息數據，其噪聲、線性和匹配等性能好壞直接影響到整個接收系統的性能。噪聲系數（NF）作為LNA的主要技術指標，在設計之初就要首先考慮對其進行優化。

噪聲系數定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即

用分貝數表示為：NF（dB） = 10lg（NF）

低噪聲放大器的輸入端需要按照噪聲最佳來匹配設計，噪聲最佳點并非增益最大點，因此增益G會下降。噪聲匹配情況下的增益稱為相關增益，通常，相關增益比最大增益低2-4dB。

為了優化低噪聲放大器電路，需要從電路設計時就要考慮到降低噪聲影響。首先在原理圖設計時除了選用低噪聲系數的放大器芯片之外，還要選用低紋波的LDO電源供電，并且做好電源的扼流匹配以及放大器前后的阻抗匹配。在此，低噪聲放大器的核心器件是采用NXP公司的晶體管BFU760F設計，BFU760F是一款高增益、寬動態范圍、低噪聲的NPN寬帶硅鍺RF晶體管，只需要一個正的電壓偏置，器件體積小，電路集成度高。根據器件性能，在漏電流IDS為60 mA時能得到最高的三階截取點（IP3）和最低噪聲系數（NF），在漏電壓VDS為3 V時，有較高的增益。電源芯片選用LINEAR公司的LT3045F，它的最大特點就是超低紋波（0.8uV），具有較寬的輸入范圍，可以穩定輸出500mA的電流，非常適合作為射頻接收電路的供電電源。同時，在PCB設計時，需要保留一層完整的地平面，LNA電路下方避免走信號線等，最大程度減小噪聲干擾。

3 結束語

接收機靈敏度跟很多因素有關，如系統天線的增益、阻抗匹配，軟件算法優化解調信噪比等。靈敏度一般來說越高（數值越低），說明其接收微弱信號的能力越強，但也帶來容易被干擾的問題，通常對于基站來說，接收靈敏度指標需要與發射覆蓋范圍綜合考慮，只要能滿足使用要求即可，過高的追求接收靈敏度不僅加大設計難度，還會提高設備的成本。在硬件設計層面，首先要考慮的就是壓低接收機的本底噪聲，然后提高有用信號的幅度，以此提高接收信噪比，達到提高接收靈敏度的效果。這個思想應該貫穿于接收射頻通路中各個電路單元的設計之中。