监测接收机及其基本知识课件.ppt

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1、接收机基础,1,2 MAR|Re|,8GEP GO|01.02|,1,08/00|,Training 2001/2002 for Sales Engineers,什么是接收机,?,“,从广义上讲，接收机是用来处理电讯号,的有线或无线的设备,”,.,?,从这个广义的角度，我们将更近地观察那,些使我们感兴趣的接收机,.,?,测试接收机,?,频谱仪,?,监测接收机的典型应用,?,?,?,?,?,快速探测未知信号,在频域内搜索活动信号,通信信号的解调,触发更多的功能,集成到民用和军用的特殊系统中去,?,?,?,?,频带的监测,单频点的监测,监测某一个频率表,传送解调信号便于进一步处理,监测接收机的典型

2、应用,追踪目标,?,它们越来越多地应用在,:,?,简单覆盖测量,?,符合,ITU,建议的测量,?,监测接收机的特性,集成了预选器,?,优化了时间常量的,AGC,?,半导体开关切换,-,没有继电器,?,针对监测任务优化操作,?,实时处理理念,?,特殊的功能如：,静噪,COR,?,有如下功能：,FSCAN,MSCAN,和全景,显示,(RF,IF),?,内部受控序列,(,扫描,),?,监测接收机的特性,高可靠性,MTBF,?,使用复杂的自检理念达到短的,MTTR,（,平均修正时间）,?,易于集成到系统中,?,为可选设备提供通用接口,?,低功耗,?,改善的的温度范围,?,满足移动要求的高机械强度,?,

3、满足严格的电磁兼容要求,?,主要模块,预选器,?,?,功能,:,通过电子切换开关,预选器将输入频带分,为若干子频带，这些子频带或者被子倍频,带通滤波器限制,(f,2 x f,),或直接被作,为跟踪滤波器使用（电切换）。,upper,lower,预选器另外还包括,:,?,为提高灵敏度的放大器,?,为增大动态范围的衰减器,?,过压保护电路,?,针对内置测试设备测试信号的应用,?,主要模块,预选器,预选器需要被用来减少天线输入端信号负,载,?,(,信号总负载,),?,它改善了如下参数,:,?,本振再辐射,?,二阶截断点,-IP2,?,镜频抑制,?,中频抑制,?,噪声系数,-NF,?,主要模块,前端,

4、(,信号部分,),?,?,功能,:,在前端，输入的频率被转变为不同的中频,（第一中频、第二中频、第三中频），在,每个变频器中间，得到的中频,被放大和,滤波。,以,EB200,为例,:,?,输入频率,10 kHz,到,3000 MHz,?,第一中频,:,3466.7 MHz,?,第二中频,:,394.7 MHz,主要模块,合成器,(,第一本振,LO),?,?,功能,:,当混频器把输入信号变成一个固定的中频,信号时，为混频器产生不同的本振信号。,(,第一中频,).,例如,EB200:,输入信号频率范围,10 kHz to 3000 MHz,第一本振,3466.71 MHz to 6466.7 MH

5、z,?,主要模块,第二、第三本振,?,?,功能,:,第二、第三本振通常是固定频率的振,荡器。它们把第一和第二中频,输出信,号转变为中频信号，这些信号将被加,载在中频部分或其它模块上以便进行,进一步处理,如中频全景。这些未被控,制的宽带中频信号应该在后部也能得,到。第一和第二中频信号经常被成对,输出满足带宽极宽的应用,(10 MHz),。,监测接收机最后一级中频的典型输出,频率,:,?,主要模块,中频部分,?,?,功能,:,对从前端输入的信号进行预选和滤波。,?,转换到基带,(,视频输出,),。,?,通过带有不同加权过程的对数放大器获得,输入信号的电平信,?,息。,?,调整中频部分产生的信号电平

6、进入固定倍,数放大器。,(,对于调幅信号,),?,为进一步处理解调信号。,?,音频信号处理。,模拟,或数字中频部分,?,模拟解决方案通常用于消费产品（能力较,低）和专业的宽带领域,(8 MHz to 10,MHz),?,数字解决方案有如下决定性的优点,:,?,较多的带宽选择,容易调整,?,可实现针对不同的波形选用不同的滤波,器,?,不用调整,高精确性,?,主要模块,中频部分,主要模块,处理器,接口,?,?,功能,:,通常内置控制器,控制所有的数据和处理,。另外有额外的处理器或微控制器和内存,支持显示、接口等子功能。,重要的因素,:,?,标准的操作系统,?,实时能力,?,标准化的接口,?,(,在

7、测量测试中使用,IEC/IEEE,总线,实时能力,=?),接收机参数,?,最重要的,?,(,首要的,),?,接收机参数,接收机参数,最重要的,首要的因素,频率范围,(O-D)*,?,噪声,噪声因子,噪声系数,-NF,(U-T),?,灵敏度,(O-T),?,接收机参数,?,?,?,?,振荡器,(,合成器,),相位噪声,固有杂散响应,*,(U-D),寄生响应,自动增益控制,-AGC,(O-T),(U-D)*,(U-D),接收机参数,频率范围,有如下不同的概念,:,?,多重调谐器的概念,为不同的频带配置对应的调谐器,Pros:,低的中频使得第一中频的,滤波器变窄成为可能,?,(,对噪声系数、截断点、

8、阻塞来说是理,想的,),低的本振频率,=,低的相位,噪声,?,接收机参数,频率范围,单调谐器的概念,Pros:,整个频带仅有一个调谐器,，只需较小的空间，价格低。,?,Cons:,高中频,=,宽的中频滤波器,带宽,限制了带内的,截断点,高频削弱了噪声,?,相位噪声和线性度,?,接收机参数,噪声,凡是有电流的地方都会产生噪声。,电子的不规则运动是产生这种现象的,原因。,?,原理,:,电流越大，产生的噪声越大。,?,因此，接收机中要进行小电流设计，但,这与线性度矛盾。,?,低噪声和高的线性度是矛盾的。,?,接收机参数,Noise,噪声被认为是接收机内部的噪声，它降,低了输入信号的信噪比。,因此，内

9、部噪声成为衡量接收机灵敏度,的尺度之一。内部噪声是可靠检测小信号,的的关键。,内部噪声可以以多种方式表示,;,噪声因子或噪声系数通常被认为是不依,赖带宽的参数。,接收机参数,噪声因子,噪声系数,无量纲的噪声因子,F,是二端口网络（接收,机）输入端和输出端信噪比之比,S,1,/N,1,?,F,?,S,2,/N,2,?,其中,S,1,/N,1,输入端信噪比,S,2,/N,2,输出端信,?,接收机参数,灵敏度,对于接收机的评估和比较来说，噪声系,数是一个关键的标,?,准。,?,灵敏度对于接收机来说是同样重要，经,常用来替代噪声系数或同噪声系数并列。,?,如果数据表中的数据完整、准确，噪声,系数和灵敏

10、度之间可以直接转换。,?,下面的幻灯说明了他们的关系,.,?,接收机参数,灵敏度,?,接收机的灵敏度是这样计算的,(,dBm,),?,?,174,dBm,/,Hz,?,NF,?,10,?,lg,BW,P,in,min,?,也就是说，它依赖于带宽设置,P,(,mW,),?,10,in,min,dBm,10,P,(,W,),?,P,(,mW,),?,10,?,3,?,V,当,?,P(,W,),?,50,?,或,以及,接收机参数,互调,IP2,IP3,?,?,?,当两个或更多的信号同时加载在有源器,件输入端，有源器件（放大器,/,混频器）,由于其非线性，会在互调产物中产生无用,信号。,因此这些无用信

11、号电平越低越好。有源,器件的线性度随着电流和功率的增长而增,长。,也就是：为放大器级提供的电流越,大，或混频器的本振功率越大,线性度就,越高。,但是要记住,:,这同噪声的要求相矛盾。,低功耗,=,有限的线性度,接收机参数,互调,IP2,IP3,绿色,=,二阶产物,红色,=,三阶产物,L,O,f,I2,-f,I1,f,I1,f,I2,2f,I1,-f,I2,2f,I2,-f,I1,2f,I1,2f,I2,3f,I1,3f,I2,f,f,I1,+f,I2,2f,I1,+f,I2,2f,I2,+f,I1,频谱,(,谐波和互调产物,),接收机参数,互调,IP2/IP3,?,IP2,f,in,f,LO,

12、预选器带宽,f,IF,P,in,预选滤波器,?,?,第一中频滤波器带宽,电平差,a,f1,f2-f1,f2,f1+f2,例如,:f1=200 MHz,f2=410 MHz,f2-f1=210 MHz,流程,:,接收机先调谐至,f1,然后到,f2-f1,确定取值,.,?,IP2=P,in,+a,接收机参数,互调,IP2/IP3,?,IP3,第一中频滤波器带宽,预选滤波器,2 x f1-f2,f1,f2,2 x f2-f1,?,?,f,in,f,LO,预选滤波器带宽,I,F,f,P,in,电平差,a,例如,:f1=400 MHz,f2=410 MHz,2f1-f2=390 MHz,2f2-f1=4

13、20 MHz,流程,:,顺序将接收机调谐至,f1,f2,2 f1-f2,和,2 f2-f1,得到如下值,.,?,IP3=P,in,+a/2,接收机参数,互调,IP2/IP3,三阶互调,带内,带外,第一中频带宽,预选滤波器,f2,2 x f2-f1,2 x f1-f2,f1,f2,2 x f2-f1,2 x f1-f2,f1,2 x f1-f2,f1,f2,2 x f2-f1,带内,带外,带外,?,带外测量对于多调谐概念来说是可能的,因为可以根据低的第一中频使用,?,窄的滤波器。对于在宽频带使用单调谐器的概念来说,第一中频很高，窄,的滤波器也不可能。,例如,:,ESMC:,第一,IF=1121.

14、4 MHz,第一中频滤波器带宽,=,20 MHz typ.,EB200:,第一,=3466.7,MHz,第一中频滤波器带宽,=80 MHz typ,.,接收机参数,互调,IP2/IP3,互调,=IM=,激励,+,控制,?,为什么,?,?,对频率选择的控制,?,互调产物在频率范围内显著变化,(,特别是,当混频器匹配不理想时,),?,互调产物依赖于温度。,?,两个互调产物通常有不同的值，可能会,有几,dB,的不同,;,?,接入衰减器可以控制互调产物。,?,接收机参数,振荡器再发射,频谱仪,接收机输入,?,LO1,LO2,LO3,?,因为滤波器和放大器在第二和第三中频中起作用，第一振荡器的辐射很,重

15、要。,测量：使用频谱仪或测试接收机测量接收机输入端不同接收频率的本振,频率。,例如：,使用,EB200,，本振频率范围,=3466.7 MHz,6466.7 MHz,频谱仪中没有预选器,LO1,辐射相对较高。,接收机参数,中频抑制,中频是如何免除干扰的,以,EB200/ESMB,为例,?,信号发生器,f1=3466.7 MHz,f2=394.7 MHz,f3=10.7 MHz,?,1st IF,3466.7 MHz,2nd IF,394.7 MHz,3rd IF,10.7 MHz,?,?,LO2,LO1,LO3,测量,:,将信号发生器设置在一个中频频率，调高接收机接收电平直到接收机输入端达,到

16、一个能够估计的电平为止。,然后，调谐测试信号发生器至不同的有用的频率，在接收机中产生相同的信号电平,。,中频频率和有用的频率电平的差就是测得的中频抑制，用,dB,表示。,预选器的有益的效果,频谱仪,!,接收机参数,镜频抑制,?,?,EB200,的频率概念,接收频率范围,:,10 kHz,到,3000 MHz,第一,IF,:,3466.7 MHz,LO1 range:,3466.71 MHz,到,6466.7 MHz,第二,IF:,394.7 MHz,LO2:,3072 MHz,第三,IF:,10.7 MHz,LO3:,384 MHz,第一镜像,:f,im,1=f,in,+2 x IF1=f,i

17、n,+2x3466.7 MHz=6933.41 MHz,到,9933.4 MHz,?,Receive frequency,range,Current,f,IF1,receive frequency,LO1 frequency,range,Image frequency,range,1st image,f,IF1,f,L,O1,f,IF1,Image frequency,接收机参数,镜频抑制,?,?,?,?,?,?,?,相应地第二、第三镜像的频率范围可以计算如下,:,第二镜像,:f,im,2=f,in,+2 x IF2=f,in,+789.4 MHz,第三镜像,:f,im,3=f,in,+2 x

18、 IF3=f,in,+21.4 MHz,这样我们会把我们自己限制在测量第二和第三镜像中。由于频率很高,设计,已经决定了对第一镜像的抑制。因此我们必须从已执行的概念中测量得到镜,像的范围。,流程,:,连接信号发生器到测试机输入端，将不同的频率逐个调到镜像的范围内。,调高电平直到接收机显示一个能够测量的电平。,下一步,把不同的接收频率调整到与接收机显示电平相等。,在信号发生器上读数即为用,dB,表示的镜像压缩。,预选器的有益的效果,频谱仪,!,.,接收机参数,后选择滤波器（中频滤波器）,?,?,这些是在中频部分的滤波器，也就是平常所说的中频滤波器。尽管我们已经知道,(,信号部分,),的”中频滤波器

19、”,(1st IF filter,2nd IF filter,etc).,为了避免混淆,我们应该,将中频部分的滤波器称为,“后选择滤波器”,3 dB(6 dB),带宽,形状因子,-3 dB bandwidth,3 dB,60 dB,Shape factor s=,-60 dB BW,-3 dB BW,?,-60 dB bandwidth,接收机参数,后选择滤波器（中频滤波器）,?,对于,ITU,的测量,6 dB,带宽是标准,?,有如下原则,:,滤波器选择性越好（越陡）,形状因子越,小。,?,标准值,:,模拟滤波器,:,2:1,到,8:1,数字滤波器,:,1.2:1,到,2.5:1,数字滤波器比

20、模拟滤波器陡得多。,接收机参数,振荡器相位噪声,?,?,?,?,相位噪声使振荡器短时间稳定度的量度,，振荡器用来把不同的频率转换到中频。,相位噪声是由相位、频率、幅度变化造,成的。它在振荡器信号中显示为一个钟状,的噪声特征。,相位噪声总是具体的,依赖于载波偏移，,作为相对于载波偏移的一个单边带噪声。,特别重要的是第一中频的相位噪声，用,来调谐我们接收机的合成器。,接收机参数,振荡器相位噪声,本振的相位噪声,(LO1,LO2,LO3),45 MHz,A,VCO,Free-running,oscillator(VCO),Oscillator via PLL,coupled to reference

21、,Spurious,f,f,(10 kHz),LO,?,下一张幻灯片显示该效果,.,?,f,out,Phase,detector,1 kHz,10 MHz,reference,:/N,:45 000,LP filter,:/N,接收机参数,接收机相位噪声,将振荡器信号转变到中频,Input,signal,A,Input,IF,LO,f,1,f,2,f,A,LO signal,?,?,in,in,A,IF signal,f,IF,f,输入信号与本振信号混频,.,f,接收机参数,接收机相位噪声,测量和评估,:,我们现在用一台能够直接测量相位噪声的,频谱仪进行一次非常简单的测量。带宽被,频谱仪自动计

22、算好，结果直接显示出来。,?,其他的方法涉及到两个振荡器的转换，十,分复杂，这里不再讨论了。,?,一个先决条件是必须提供本振信号（经常,在设备是开路时是唯一的可能性）,?,接收机参数,接收机相位噪声,相位噪声通常是对于一个特定的载波偏,移而言的，用,dBc/Hz,表示。,?,dBc,表示载波偏移量,(dB).,/Hz,表示噪声是相对一赫兹带宽而言的,。,?,为了更方便比较,必去表明载波偏移,?,例如,EB200:,?,=-100 dBc/Hz,在,10 kHz,偏移,?,数据表中没有偏移量的数据不能比较，,?,接收机参数,杂散相应,内在杂散相应,?,?,?,?,杂散接受或杂散响应,是某些频率，

23、这,些频率的信号可以从天线接收到，尽,管接收机已调谐到不同的频率。,杂散响应是由于本振信号和他们的谐,波产生的。补救方法：合适的频率概,念和密集的滤波器。,内部杂散信号是在器件内部产生的频,率信号,，而接收机频率并不在这些频,率上。,内部杂散信号也会因为对本振、时钟,接收机参数,控制,-,自动增益控制,手动,增益控制,?,自动增益控制,(AGC),是无线电监测接收,?,?,?,机的一个主要特色。,它的先决条件是合适的接收条件，特别,是对于调幅信号。,这一控制必须设计得适合处理语音信号，,如升高、保持,、降低的时间必须进行优,化设计（对,SSB,信号要求特别严格），使,得与新信号之间能够被连接起

24、来。,满足典型无线电监测任务的,对控制的优,化对于脉冲信号和其它快速变化的处理来,接收机参数,控制,-,自动增益控制,手动,增益控制,控制行为只有在空气中有活跃的信号,时才能进行。,?,应该用单边带信号评估控制的质量。,(,关键词,:,延迟增益控制,).,?,没有或没有优化的控制是测试接收机,/,频谱仪接收和解调天线接收的调幅信,号的障碍。,?,手动增益控制,(MGC),用来当,AGC,功,能不正常和信号极弱时使用。这一模,式对短波应用特别有用。,?,接收机参数,?,其他的,?,(,第二位的,),?,接收机参数,接收机参数,其他的,第二位的,稳定时间,?,无杂散动态范围,-SFDR,D),?,

25、输入反射,-VSWR,(O-T),?,阻塞,?,(O-D)*,(O-,接收机参数,合成器稳定时间,这一参数描述了合成器（第一本振）在改,变频率时稳定下来的时间。,例如，数据表中是这样描述的,:,合成器稳定时间,=3 ms,1 ms,典型值,.,?,然而,我们必须对我们讨论的频率改变进,行区分。,?,上述的例子只适用于随机的（大的）频,率跳变（锁相环完全重置）,(FSCAN/MSCAN),?,接收机参数,无杂散动态范围,?,?,?,无杂散动态范围,(SFDR),说明了接收机,没有失真和互调产物的动态范围。,它被定义为用,dB,表示的，接收机噪声和,两个相等杂散信号的电平的差，这两个杂,散信号的互

26、调产物玉接收机噪声相等。,我们必须区分,:,SFDR2,二阶,互调产物的无杂散动态范围,SFDR3,三阶,互调产物的无杂散动态范围,接收机参数,无杂散动态范围,?,?,?,这些值可以通过我们已知的截断点测量,和接收机测量的方法得到,.,这些值可以通过以下公式得到,SFDR2=1/2(IP2+174,NF,10lgBW),SFDR3=2/3(IP3+174,NF,10lgBW),由于噪声系数和截断点几乎总能在数据,接收机参数,输入反射,-VSWR,?,?,?,?,输入反射是衡量接收机阻抗是否匹配的,度量。（通常,50,）,它通常被称为电压驻波比,(VSWR).,比如数据表中,VSWR 2.,该值

27、越大，匹配越差。,VSWR=1,时为,理想值。,注意：匹配通常情况下在接收机调谐到某,频率下存在。,接收机参数,输入反射,-VSWR,VSWR,的定义是：,1,?,r,Vr,VSWR,?,r,?,1,?,r,Vf,?,当,V,=,反射波的幅度,?,V,=,入射波的幅度,?,r,f,接收机参数,阻塞,?,?,?,阻塞是接收一个相对较大的有用信号的,同时，一个非常强的杂散信号出现在有用,信号附近，有用信号电平被降低，即被压,缩的现象。,这是由于在混频器的强杂散信号和接收,机放大器的存在，几乎没有给有用信号的,空间。电平范围几乎完全被杂散信号阻塞,。,在一定程度上，阻塞也描述了接收机的,线性度,并较

28、强地等价于,IP2,和,IP3.,接收机参数,阻塞,?,数据表还描述以下内容,(,以,EM010,为例,):,有用信号功率为,-60 dBm(47 dB,V),被,一个未调制的,6 dBm,(113 dB,V),的信号（频偏,100 kHz,）,衰减了不到,3 dB.,?,这就说明了杂散信号电平越高，阻塞就越,大。,测量,:,?,接收机参数,交调,?,?,交调是一个惹麻烦的特性，特别是对,于调幅信号，它表示对一个相邻于有用,信号的杂散信号的调制（如果电平高的,话，杂散信号可以较远）。因此杂散信,号可以在有用信号中听到。,它是由混频器和放大器的线性度造成的,，也就是，这些效果是伴随互调抑制产,生

29、的。一台有高的截断点值的接收机有,高的交调抑制,。,例如,:,一个,6 dBm,，,30%,的调幅信号产生一个,-60 dBm(100 kHz,频率偏差,的）,10%,的交调信号。,测量,:,测量接收机本身或调制分析仪或测试接收机的调制深度（,ESMB,）,测试配置与测试阶段点相同。,(,但是由于高的杂散电平，去耦非常关键。,接收机参数,1dB,压缩点,(1dB CP),?,?,?,?,1 dB,压缩点,用,dBm,描述了接收机在输,入信号达到多高的电平时，线性度开始变,坏。,在线性范围内,输入电平每增加,1dB,，显,示结果会增加同样的幅度。,由于离开线性区，显示结果偏离正确结,果,1 dB

30、,的输入电平称为,1 dB,压缩点。,高的,1dB,压缩点,=,高的线性度,=,高的,IP,值,接收机参数,频率误差,?,?,?,这个参数说明了内部参考频率（通常为,10 MHz,）因此是表示接收信,号频率精确程度的量度,.,该精确度通常表示为,:,?,m,频率稳定度,?,n,?,10,例如,:EB200/ESMB,?,6,频率稳定度,?,0,.,5,?,10,这样输入频率为,1 MHz,偏差为,0.5Hz,，到了,3 GHz,偏差就达到,1.5,kHz.,接收机参数,频率误差,?,?,?,?,除了上述的误差外，老化是另外一个标,准。,他说明了频率在一个较长的时间内的变,化，通常表示为每日的误差。,这一长时间的误差导致精度连续地降低,。,因此，我们建议每年调整内部振荡器。,（例如：按照,ITU,建议的测量）。,接收机参数,频率误差,?,EB200/ESMB,的例子都是温度补偿（没,有预热时间）的典型值。,为了达到高的,精度（大约亿分之一），使用了温控振荡,器。,缺点是他们的启动时间长，高功耗,和有限的温度范围。,?,在多数场合下,特别是在系统中,一个外,部参考是有必要的。例如采用,GPS,的参,考信号能达到比温控参考高大约,1000,到,10000,倍,，而不需要额外的启动时间。,