【文章內容簡介】 或者多次變頻，在多個中頻頻率上逐步濾波和放大。外差式接收機方案基于以下三方面考慮：首先，中頻頻率比信號載頻低的多，在中頻段實現(xiàn)對有用信道的選擇要比在載頻段上進行選擇對濾波器 Q 值的要求低。第二，微弱的接收信號要轉換為 A / D 變換器可工作的電平需要很大的總增益。采用外差高的增益。第三，中頻高增益放大器比載波頻段上的高增益放大器要容易和穩(wěn)定。外差式接收機的最大缺點是組合干擾頻率點多，尤其是鏡像干擾現(xiàn)象尤為嚴重。解決的方法是在 變頻前加濾波器來濾除鏡像干擾頻率。高的中頻使得鏡像頻率遠離有用信號的頻率，利于抑制鏡像頻率的干擾，利于提高輸出中頻的信噪比。也就是有利于提高接收機靈敏度。但是高的中頻使得具有相同 Q 值的中頻濾波器帶寬變大，必然就降低了它對相鄰信道的抑制能力 [6]。 第 2 章 接受機原理及性能指標分析 7 由前面討論我們也知道，接收機選擇信道和抑制領進干擾信道主要是靠中頻濾波器，高的中頻降低了接收機的選擇性。所以說“靈敏度”和“選擇性”是一對矛盾，而中頻頻率的選擇成為平衡這對矛盾的關鍵。 (2)零中頻接收機 它是最簡單的實現(xiàn)方法，這種結構不存在鏡像頻率，所以不 需要鏡頻抑制濾波器，只需要低通濾波器進行信道選擇。結構見圖 22。 I LNA Q 圖 22 零中頻接收機 除了不需要抑制鏡像頻率以外，直接下變頻方案還有下列優(yōu)點：接收機射頻部分只包括低噪聲放大器和混頻器，增益不高，易于滿足線性動態(tài)的要求；由于沒有抑制鏡像頻率的濾波器，所以也不需要考慮放大器和它的匹配；由于下變頻后是基帶信號，因此不必采用中頻濾波器來選擇信道，而只需要用低通濾波器來選擇基帶信號。但是和外差式接收機相比較， 0Hz 附近很不安全，所以零中頻方案也 存在不少難以解決的問題：包括本振泄漏、 LNA 諧波失真干擾、直流偏置和低頻噪聲。 (3)低中頻接收機 它具有和零中頻相似的優(yōu)點，可以有效抑制 DC 附近的問題，它要求很高的鏡像抑制比，需要結合使用抑制鏡頻的變頻結構和額外的鏡頻抑制措施。 (4)鏡像抑制接收機 外差式接收機靠變頻前加濾波器來濾除鏡像干擾頻率。而鏡像抑制接收方案是采用改變電路結構來抑制鏡像干擾頻率。一般電路采用正交混頻結構，例如 Hartley 結構可以完全抑制中頻的鏡頻信號，電路結構見圖 23。 Weaver 結構可以有效抑制鏡頻信號， 使得有用信號順利通過。結構見圖 24。 這種方案要真正做到抑制鏡像干擾的關鍵有兩點。一是兩條支路必須 LFP LFP 限幅檢測 限幅檢測 L0 900 燕山大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 8 完全一致，其中包括本振信號的幅度、混頻器的增益、低通濾波器的特性 Sinw1t 射頻輸入 Cosw1t 中頻輸出 圖 23 Hartley 結構抑制鏡像頻率 Sinw1t 中頻輸出 射頻輸入 Cosw1t 圖 24 Weaver 結構抑制鏡像頻率 都必須一致。二是正交必須精確，即本振的兩路信號要精確的相差 ?90?，否則鏡像頻率不可能被完全抑制。這幾種結構都有著各自的優(yōu)缺點，選擇哪一種結構要看系統(tǒng)的工作環(huán)境和指標要求。 接收機噪聲特性分析－－接收機噪聲系數(shù) 噪聲和干擾是任何電子系統(tǒng)底大敵。接收機中的噪聲會掩蓋微弱信號，限制接收機對微弱信號的檢測能力，即限制接收機的極限靈敏度。噪聲可以是接收機自身產(chǎn)生的，也可以是從外部噪聲源進來的 [7]。要檢 測出信號，待測信號必須比系統(tǒng)的噪聲強的多。因此，有必要對接收機的噪聲性能進行詳細的分析。 低通濾波器 低通濾波器 900 低通濾波器 低通濾波器 第 2 章 接受機原理及性能指標分析 9 噪聲的來源 熱電子和固態(tài)電子設備中的噪聲可以分為三種主要類型： 熱噪聲 又稱 Johnson 噪聲，或奈奎斯特噪聲，是由束縛電荷熱運動的隨機起伏產(chǎn)生的。通常用在工作帶寬 B 的電阻上噪聲電壓 Vn 的均方值來表征： kTBRVn 42 ? (21)式中： k＝玻爾茲曼常數(shù)， 1023 J K ； T＝電阻絕對溫度，單位 K； B＝工作帶寬，單位 Hz； R＝電阻值，單位 Ω。 上式說明噪聲能量存在于給定帶寬內與中心頻率無關，單位帶寬內的噪聲分布稱為白噪聲。因此，熱噪聲的功率為： ?AP KTBRKTBR ?44 (22) 兩邊取對數(shù)： AP (dBm) = 10LogkTB = 10LogkT +10LogB (23) 由上式可以計算出常溫下 (T＝ 290K)， 1 赫茲單位帶 寬上的熱噪聲功率為 174dBm/ Hz ，定義為噪聲基底，或寫成 204dBW / Hz、 144dBm/kHz 或 114dBm/ MHz 。 散粒噪聲 這種噪聲是由從源發(fā)射出的電子數(shù)量的起伏形成的，一般存在于固態(tài)器件或晶體管中。 閃爍噪聲 又稱 1/f 噪聲或低頻噪聲，是由大量的物理因素如系統(tǒng)的機械運動起伏、電磁輻射和量子噪聲等產(chǎn)生的，特點是能量與頻率成反比(1/f)， 1/f 噪聲在 1Hz 到 1MHz 之間的影響很大，超過 1MHz 熱噪聲的影響更為顯。 噪聲系數(shù) 對于一個線性二端口網(wǎng)絡 ，其輸出波形與輸入波形會有所不同，即產(chǎn)生失真，因為輸入信號所有的頻率成份不能以相同的增益 (衰減 )和延時傳輸，會造成失真，但是通過對二端口網(wǎng)絡仔細的設計或對輸入波形的帶寬加以限制，這樣的失真是完全可以避免的。然而在二端口網(wǎng)絡內部產(chǎn)生的噪聲仍然會改變著輸出信號的波形。在二端口線性無源網(wǎng)絡中，噪聲僅僅由二端口中的損耗引起，從熱力學的角度考慮，說明這種損耗導致的隨機變化正是我們所稱的噪聲。當二端口網(wǎng)絡包含有源器件，諸如晶體管，就燕山大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 10 會存在其它的噪聲機制。系統(tǒng)設計中需要著重考慮的方面之一是：加到傳輸信號上噪聲的數(shù)量。通常 以輸出的信號功率與噪聲功率之比來判 (S/N)。一般來說信號附加噪聲的功率與噪聲功率之比 (S+N)/N 相對容易測得。而在大信號的情況下則用 S/N。對二端口網(wǎng)絡的研究中，確切地知道通過網(wǎng)絡信號上的噪聲量是相當重要的。表征這種特性的重要參數(shù)是噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)是定量描述一個元件或系統(tǒng)所產(chǎn)生噪聲程度的指數(shù)，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)受許多因素影響，如電路損耗、偏壓、放大倍數(shù)等。二兩端口網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)定義為： F= 輸入端信噪比 /輸出端信噪比＝ 100?NSNS ii (24) 對于圖 25 所示的二端口網(wǎng)絡，其增益為 G，附加噪聲功率為 Na，有： iGSS ?0 (25) NaGNN i ??0 (26) Si S0 Ni=KTB N0 圖 25 具有增益Ｇ和附加噪聲功率Ｎ二端口網(wǎng)絡 將式 (26)代入 (25)得： F = ?0NGSNSiiiiGNN0 (27) iFGNN ?0 (28) 兩邊取對數(shù)，且通常用分貝值來定義噪聲系數(shù)，即 NF =10LogF， 則上式為： )()()(0 dBNdBGNdBN iF ??? (29) 上式 (29)表明，以分貝值計算，通過二端口網(wǎng)絡后，輸 出噪聲功率是輸入噪聲功率加上噪聲系數(shù)和增益。因為元件或系統(tǒng)的噪聲系數(shù) NF 與輸F G Na 第 2 章 接受機原理及性能指標分析 11 入噪聲無關，是其本身固有的特性，故噪聲系數(shù) NF 的定義是基于在室溫下，帶寬為 B 的標準輸入噪聲源 Ni 而言的。 Ni 由下式給出： KTBNi ? (210) 即帶寬為 B 的熱噪聲功率。則： G K T BFG K T BNNa )1(0 ???? (211) GKTBNF 0? (212) 級聯(lián)電路的噪聲系數(shù) 在典型的微波系統(tǒng)中，輸入信號通過許多級聯(lián)的元件行進，每一個元件會以某種程度降低信噪比。若知道各個級的噪聲系數(shù) (或噪聲溫度 )，就可以確定許多級聯(lián)在一起的噪聲系數(shù)或噪聲溫度。當信號發(fā)生器和天線傳來的信號能量經(jīng)過二端網(wǎng)絡，由輸入端到輸出端時被放大或衰減，且噪聲伴隨著輸入信號。通常一個系統(tǒng)包含著許多級聯(lián)的二端口網(wǎng)絡，由此構成整個二端網(wǎng)絡將信號放大到足夠的功率水平 (按電路設計的要求 )。下圖 26 為兩個二端口網(wǎng)絡級聯(lián)，增益分別為 G1 和 G2，噪聲系數(shù)分別為 F1 和 F2，級聯(lián)后的噪聲系數(shù)與增益分別為 F12 和 G12， Si S0 Ni=KT N1 N0 圖 26 兩個網(wǎng)絡級聯(lián) 由式 (210)得： KTBGFN 12120 ? (213) 這里， G12＝ G1G2，但是 F12≠ F1F2，由上一節(jié)分析，根據(jù)式 (26)、 (210)及 (212)可以得出： NaK T BGNaGNK T BGFN i ????? 11111 (214) 由 (214)式，第二級網(wǎng)絡在輸出端產(chǎn)生的噪聲功率為： KTBGFNa 22 )1( ?? (215) 則輸出端總的噪聲功率為： K T BGFK T BGGFNaGNN 22211210 )1( ????? (216) 由式 (216)得出 ，兩級級聯(lián)網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)為： F1 G1 Na1 F2 G2 Na2 燕山大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 12 121210120xx)1()()( GFFK T BGGNK T BGNF ????? (217) 可以推廣到如下圖 27 所示的 N 個網(wǎng)絡的級聯(lián)，由此可得總的噪聲系數(shù)為： Si S0 Ni=KTB N1 … . N0 圖 27 Ｎ個網(wǎng)絡級聯(lián) ...... 1...11 121213121 ?? ???????? nn GGG FGGFGFFF (218) 上式是用來計算多級級聯(lián)網(wǎng)絡噪聲系數(shù)的，從式中定義看出，要使系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)降低，第一級的增益和噪聲系數(shù)是至關重要的，若系統(tǒng)第一級具有高的增益，上式可以驗證系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)基本上等于第一級噪聲系數(shù)，因此，降低接收機的總噪聲系數(shù)，系統(tǒng)第一級不但要具有低噪聲系數(shù)，而且要具有高增益。注意，在使用式 (218)時，所有的 F 和 G 都是倍數(shù)而不是 dB。需要特別說明的是，對于濾波器、混頻器等損耗性電路，在計算中其損耗就是噪聲系數(shù)，且增益是損耗的倒數(shù)，即：若一個損耗為L 的網(wǎng)絡，其增 益為 1/L，噪聲系數(shù)為 L。 接收機靈敏度 噪聲系數(shù)與靈敏度都是衡量接收機接收和檢測微弱信號能力的指標。接收機靈敏度是用來描述一個接收機在多微弱的信號功率 (或電平 )量級下就能工作 (指能檢測并解調還原信號 )的一項技術指標。靈敏度是一個最小的信號電平，當接收到的信號剛剛達到這樣的強度時，接收機就能正常工作，并且產(chǎn)生預期的輸出。接收機靈敏度并非是基本量，而是在給定噪聲功率的前提下，衡量接收機檢測信號能力的參數(shù)，一般要依賴一些其他的參數(shù)才能確定，如：所接收信號的調制類型、中頻帶寬 (或視頻帶寬 )、信納比 (即檢波 所需的識別數(shù) )、以及接收機的噪聲系數(shù) [8]。下式為接收機靈敏度與這些參數(shù)之間的簡單近似關系式： KKBNFS Sn ?????? lo g10174 (219) F1 G1 Na1 F2 G2 Na2 Fn1 Gn1 Nan1 Fn Gn Na. 第 2 章 接受機原理及性能指標分析 13 其中： S＝接收機靈敏度，單位 dBm； NF＝接收機噪聲系數(shù)，單位 dB；B＝檢波前的中