微波接收機(jī)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)分析

袁 洋 孟 清

（中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所 江蘇·南京 210000）

微波接收機(jī)是在發(fā)射機(jī)將載有信息的信號調(diào)制到射頻載波后，再通過解調(diào)經(jīng)過調(diào)制的信號，在充滿噪聲的空中信道中將非常微弱的接收信號提取出來，保證信號具有足夠信噪比的同時，確保高速、精準(zhǔn)。微波接收機(jī)，本質(zhì)上是一個完整的系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計師既要兼顧總體性能，針對各電路模塊的線性度、功耗、噪音系數(shù)以及增益等進(jìn)行系統(tǒng)的考慮，又要協(xié)調(diào)好各個電路模塊，不斷地修正和完善微波接收機(jī)系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)，從而有效地發(fā)揮微波遙感的作用，在充滿噪聲的空中信道中快速、精準(zhǔn)地傳輸信息。想要有效地接收信號、快速精準(zhǔn)地處理信號，微波接收機(jī)的性能就格外重要，其中信號帶寬以及頻譜會直接影響射頻收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)與電路模塊，系統(tǒng)設(shè)計時，必須要保證微波接收機(jī)具有優(yōu)良的線性度、較高的靈敏度、功率控制達(dá)標(biāo)。

1 微波接收機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析價值

微波接收機(jī)是在無線傳輸換環(huán)境之中接收微弱的信號，所接收到的都是經(jīng)過調(diào)制的信號。無論是接收環(huán)境，還是信號處理，都對微波接收機(jī)的各項性能有著較高的要求，既要保證有足夠的信噪比，又要具有較高的靈敏度，能將微弱的微波信號從無線傳輸環(huán)境中提取出來。從接收機(jī)系統(tǒng)原理框圖來看，微波信號機(jī)是一個完整的系統(tǒng)，其功能是接收信號后，對信號進(jìn)行調(diào)制，整個系統(tǒng)主要由射頻濾波器、低噪聲放大器以及中頻濾波器、本振濾波器、混頻器、基帶組成，信號調(diào)制過程中，信號帶寬以及頻譜會直接影響射頻收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)和電路模塊的設(shè)計，信號的損耗、衰弱以及信號幅度起伏，與微波接收機(jī)的線性度、靈敏度密切相關(guān)。由于微波接收機(jī)具有多徑效應(yīng)、路徑損耗、時變性等特點，導(dǎo)致噪聲和干擾無處不在。基于無線傳輸環(huán)境的特殊性，在射頻收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)和電路模塊設(shè)計過程中，既要考慮到信號帶寬和頻譜，修正與完善微波接收機(jī)系統(tǒng)，又要兼顧微波接收機(jī)的性能，針對微波接收機(jī)的總體性能協(xié)調(diào)好各級電路模塊以及射頻收發(fā)模塊，以保證微波接收機(jī)的線性度、靈敏度、功耗、噪音系數(shù)以及增益等性能達(dá)標(biāo)，使得信號幅度能在大范圍內(nèi)起伏，有足夠的信噪比。

鑒于此，對微波接收機(jī)的主要性能指標(biāo)展開分析，其目的在于圍繞這些性能指標(biāo)，建立起微波接收機(jī)系統(tǒng)模型，對微波信號接收、調(diào)解處理進(jìn)行分析，包括了括線性度、靈敏度等，將各個性能指標(biāo)與實際應(yīng)用下的技術(shù)要求進(jìn)行對比，從而不斷地修正、完善微波接收機(jī)系統(tǒng)，并將研究成果作為技術(shù)儲備，為微波接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計工程師提供參考。

2 對微波接收機(jī)主要性能指標(biāo)的分析

微波接收機(jī)的性能指標(biāo)，包含了噪聲系數(shù)、靈敏度、動態(tài)范圍、通頻帶、最大增益、選擇性，對這些性能指標(biāo)展開分析，是針對這些指標(biāo)對微波接收機(jī)系統(tǒng)的信號接收、信號調(diào)解的影響，探究如何確保微波接收機(jī)的各項性能達(dá)到指標(biāo)要求。以下是對噪聲系數(shù)、靈敏度、動態(tài)范圍、通頻帶、最大增益、選擇性，這六個主要性能指標(biāo)的具體分析內(nèi)容：

（1）噪音系數(shù)。噪音對于任何電子系統(tǒng)而言，都具有較大的影響，特別是噪聲與干擾。微波接收機(jī)的噪音會掩蓋微弱的信號，從而影響微波接收機(jī)對微弱信號的偵測能力，也就是會影響微波接收機(jī)的極限靈敏度。大體上，微波接收機(jī)的噪音主要來源于兩個方面：一是外部噪音，指的是無線信號傳輸?shù)谋尘霸胍簦颂炜赵胍簟⒌厍蛟胍粢约叭斯ぴ胍舻龋欢俏⒉ń邮諜C(jī)自身產(chǎn)生的噪音，如放大器、濾波器以及檢波器等各種元件產(chǎn)生的噪音。內(nèi)部的噪音會直接影響微波接收機(jī)檢測的最小信號，意味著微波接收機(jī)只能檢測到大于內(nèi)部噪聲強(qiáng)度的信號，這也是衡量微波接收機(jī)信號接收性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)——信噪比。信噪比，指的是信號功率與噪聲功率之比，信噪比越大則越容易檢測好信號。在二端口網(wǎng)絡(luò)研究中，明確通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信號上的噪聲數(shù)量，尤為重要，而代表這種特性的重要參數(shù)是噪聲系數(shù)，是定量描述一個元件或是系統(tǒng)所產(chǎn)生噪聲程度的指數(shù)。微波接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)受多種因素的影響，常見的有電路損耗、放大倍數(shù)以及偏壓，其公式為：

NF=輸入端信噪功率比/輸出端信噪功率比，其常用單位為分貝（dB），想要降低整個微波接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，就要先從第一級網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)與增益入手，第一級的噪聲系數(shù)越小、增益越高，則后面的噪音系數(shù)對整個系統(tǒng)就不會產(chǎn)生太大的影響。

（2）靈敏度。此指標(biāo)，主要是衡量微波接收機(jī)接收與檢測微弱信號的能力，通常情況下，微波接收機(jī)的靈敏度越高，則檢測出微弱信號的能力就越強(qiáng)，這項技術(shù)指標(biāo)的定義是，在給定要求的輸出信噪比條件下，接收機(jī)在多微弱的信號功率點評下能工作的情況，即檢測到的最低輸入信號電平。這也意味著，當(dāng)接收到的信號能達(dá)到一個最小的信號電平，微波接收機(jī)就能正常工作，并進(jìn)行預(yù)期的輸出。然而，微波接收機(jī)的靈敏度并不是基本量，有著給定噪聲功率的前提，在衡量微波接收機(jī)信號檢測能力時，需要依賴其他參數(shù)才能確定，如信納比、中頻帶寬、信號調(diào)制，以下是描述靈敏度與這些參數(shù)關(guān)系的公式：

圖1：微波接收機(jī)系統(tǒng)框架圖

其中，S是靈敏度，NF是噪音系數(shù)，B是中頻帶寬，Ksn是信納比，Km是調(diào)制函數(shù)。根據(jù)公式可以發(fā)現(xiàn)，想要提高靈敏度，就要降低噪音系數(shù)以及減小中頻帶寬。不過，由于在寬帶微波接收機(jī)中，靈敏度是頻率的函數(shù)，并不是一個常數(shù)，正常情況下會有最高靈敏度與最低靈敏度連個指標(biāo)，但兩個指標(biāo)不能相差太多，否則過高的頻帶內(nèi)靈敏度欺負(fù)也會影響微波接收機(jī)的整體性能。

（3）動態(tài)范圍。微波接收機(jī)的動態(tài)范圍，是可檢測的最小信號與失真允許下接收到最大信號之間的范圍。一般情況下，微波接收機(jī)的動態(tài)范圍下限，也就是最小信號，會受限于噪音系數(shù)，與整個系統(tǒng)的要求與狀態(tài)也有一定關(guān)系，而動態(tài)范圍的上限，即最大信號，則與器件的非線性指標(biāo)和自動增益放大器控制范圍有關(guān)，一旦輸入信號過大就會出現(xiàn)信號失真，此時信噪比會下降。因此，當(dāng)輸入功率小于動態(tài)范圍下限，則噪聲會占據(jù)主導(dǎo)地位，當(dāng)輸入功率超過動態(tài)范圍的上限，則輸出就會達(dá)到飽和狀態(tài)。設(shè)計射頻與微波電路時，微波接收機(jī)的動態(tài)范圍是主要依據(jù)，正常情況下，會將動態(tài)范圍定義為最小檢測信號的MDS到1dB壓縮點之間的功率范圍，而1dB壓縮點則指的是輸出功率與線性時相比較小了1dB，或是轉(zhuǎn)換時損耗增加了1dB的點，如此一來就能得到動態(tài)范圍的表達(dá)式，如下：

（4）通頻帶。微波接收機(jī)接收到的已調(diào)波，本質(zhì)上是一個頻帶信號。正是由于已調(diào)波頻譜中的主要成分中帶寬占據(jù)一定比例，想要使得頻帶信號能在信號無失真的情況下，通過微波接收機(jī)并進(jìn)行調(diào)制，就要保證微波接收機(jī)具有足夠的工作頻帶寬度，而這個工作頻帶寬度就是通頻帶。正常情況下，若是通頻帶過寬，信號的主要頻譜成分，就能在無失真的情況下通過接收機(jī)，只是會出現(xiàn)較多的噪聲，若是頻帶寬過窄，噪聲就會降低，但也會損失有用的信號頻譜成分。這就意味著，在設(shè)計微波接收機(jī)系統(tǒng)時，設(shè)計師需基于通帶的幅頻衰減特性以及微波接收機(jī)所接收的已調(diào)波頻帶寬度，合理地選擇頻帶寬。

（5）最大增益。微波遙感技術(shù)中，微波信號的發(fā)送與接收，與微波信號經(jīng)饋線以及分路系統(tǒng)有關(guān)。一般情況下，天線收到的微波信號會通過微波信號經(jīng)饋線和分路系統(tǒng)，輸送到微波接收機(jī)。由于信號的衰變，接收機(jī)的輸入電平處于持續(xù)變動的狀態(tài)，隨時隨地都在變化，要保證解調(diào)器正常用作，就要確保微波接收機(jī)的輸入電平能達(dá)到放輸出應(yīng)達(dá)到的要求。然而，由于微波接收機(jī)的輸入端信號比較微弱，接收機(jī)輸入與輸出電平就會產(chǎn)生一定差距，這個差距指的就是最大增益。設(shè)計微波接收機(jī)系統(tǒng)時，設(shè)計師要保證整個增益值，也就是輸出與輸入的電平差會合理地分配到微波接收機(jī)的低噪聲放大器以及前置中放和主中放等各級放大器中，均衡增益的分布，以確保接收機(jī)的主中放與前置中放輸出都能達(dá)到所要求的電平。

（6）選擇性。接收機(jī)的選擇性，是每個波道在接收信號的過程中，傾向于接收本波道的信號，體現(xiàn)在其對鄰近波道的干擾與本波道的收、發(fā)干擾的抑制作用上。微波接收機(jī)的選擇性，與增益、頻率有關(guān)，用增益—頻率特征表示選擇性，既要求通頻帶內(nèi)的增益足夠大，也要求通頻帶外的衰減越大越好，盡可能地降低通帶與阻帶之間的過渡區(qū)寬度。

3 結(jié)語

微波接收機(jī)是微波遙感的信號接收儀器，學(xué)者們一直以來都在不斷地完善與修正其原理與結(jié)構(gòu)，尤其是近些年來隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展、廣泛應(yīng)用，提高微波接收機(jī)的性能、優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，對微波通信信號的接收與處理具有關(guān)鍵性的影響。針對微波接收機(jī)中常見的性能指標(biāo)展開分析，有助于系統(tǒng)設(shè)計師對微波接收機(jī)的功能、結(jié)構(gòu)、電路模塊做出明確的判斷與調(diào)整，以確保微波接收機(jī)具有優(yōu)良的線性度以及較高的靈敏度。結(jié)合對性能指標(biāo)的分析結(jié)果，系統(tǒng)設(shè)計師在系統(tǒng)完善與修正過程中，既要對各級電路的工作頻率進(jìn)行系統(tǒng)性的考量，也要針對微波接收機(jī)的總體性能，控制功耗以及線性度、增益等，協(xié)調(diào)好各個電路模塊，以保證性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求。