針對(duì)PDT接收機(jī)靈敏度指標(biāo)的分析及優(yōu)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(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心哈爾濱監(jiān)測(cè)站，哈爾濱 150010；3.黑龍江省工業(yè)和信息化廳伊春無(wú)線電管理處，哈爾濱 150010）

PDT警用數(shù)字集群通信系統(tǒng)覆蓋了公安、消防、人防、森林防火以及應(yīng)急調(diào)度等諸多應(yīng)用，是應(yīng)急通信保障的重要手段，比如在森林防火現(xiàn)場(chǎng)，如果消防員和指揮官因?yàn)橥ㄐ旁O(shè)備接收靈敏度的原因溝通不暢，使得撲火現(xiàn)場(chǎng)的情況無(wú)法準(zhǔn)確的傳達(dá)，將會(huì)造成嚴(yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)損失。又如在大型集會(huì)應(yīng)急通信保障應(yīng)用中，如果指揮官和安保人員溝通不暢，指揮官就無(wú)法把握現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)，從而對(duì)于各種突發(fā)事件無(wú)法做出正確的決定，造成不可估量的后果。所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)格進(jìn)行把控。

PDT警用數(shù)字集群通信系統(tǒng)主要工作在V/U波段，這個(gè)波段通信的特點(diǎn)是“視距通信”，視距條件下，無(wú)線信號(hào)無(wú)遮擋地在發(fā)信端與接收端之間直線傳播，這要求在第一菲涅爾區(qū)（First Fresnel zone）內(nèi)沒(méi)有對(duì)無(wú)線電波造成遮擋的物體，菲涅爾區(qū)的大小取決于無(wú)線電波的頻率及收發(fā)信機(jī)間距離。如果有堅(jiān)硬物體突入菲涅耳區(qū)內(nèi)的信號(hào)通道時(shí)，銳邊衍射就會(huì)使部分信號(hào)偏轉(zhuǎn)，致使其到達(dá)接收天線的時(shí)間略微晚于直接信號(hào)。由于這些偏轉(zhuǎn)的信號(hào)與直接信號(hào)有相位差，所以它們會(huì)降低其功率或者將其完全抵消。如果樹(shù)木或其他“軟”物體突入菲涅耳區(qū)，它們就會(huì)削弱通過(guò)的信號(hào)，降低其強(qiáng)度。簡(jiǎn)而言之，盡管事實(shí)上可以看到某一個(gè)位置，但這并不意味著就能夠建立到該位置的優(yōu)質(zhì)無(wú)線電鏈路。

1 PDT接收機(jī)靈敏度指標(biāo)及其測(cè)試

在通信過(guò)程中，衡量接收機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)系統(tǒng)的指標(biāo)主要有接收靈敏度、鄰道選擇性、共信道抑制、雜散響應(yīng)抗擾性、阻塞、互調(diào)響應(yīng)抗擾性等。其中，接收機(jī)靈敏度定義了接收機(jī)可以接收到的并仍能正常工作的最低信號(hào)強(qiáng)度。靈敏度指標(biāo)對(duì)于基站信號(hào)覆蓋范圍的大小起到了至關(guān)重要的作用，反應(yīng)了接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力。靈敏度指標(biāo)過(guò)低，會(huì)使基站接收信號(hào)的失真度增大，導(dǎo)致通信質(zhì)量變差、通信覆蓋范圍減小，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中表現(xiàn)為基站收不到上行信號(hào)、終端設(shè)備脫網(wǎng)，或者話音惡化、斷續(xù)、丟字甚至無(wú)法正常通信等結(jié)果，這在一些重要通信場(chǎng)合是不能容忍的。

接收機(jī)靈敏度指標(biāo)分為靜態(tài)靈敏度和動(dòng)態(tài)靈敏度。靜態(tài)靈敏度就是在規(guī)定的測(cè)試頻率和調(diào)制方式下，當(dāng)接收機(jī)誤碼率小于或者等于一定值（一般為5%）時(shí)，接收機(jī)天線端口的輸入信號(hào)功率大小；動(dòng)態(tài)靈敏度則是在規(guī)定的測(cè)試頻率、調(diào)制方式和衰落環(huán)境下，當(dāng)接收機(jī)誤碼率小于或者等于5%時(shí)，接收機(jī)天線端口的輸入信號(hào)功率大小。在測(cè)量方法上，動(dòng)態(tài)靈敏度比靜態(tài)靈敏度增加了動(dòng)態(tài)衰落模型。可見(jiàn)，靜態(tài)靈敏度標(biāo)示了接收機(jī)在理想環(huán)境條件下所能接收的最小信號(hào)強(qiáng)度，而動(dòng)態(tài)靈敏度是在模擬了實(shí)際使用環(huán)境的條件下接收機(jī)所能接收的最小信號(hào)強(qiáng)度，動(dòng)態(tài)靈敏度衰落模型配置如表所示：

表1 接收機(jī)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)靈敏度

動(dòng)態(tài)靈敏度更能接近反應(yīng)接收機(jī)在實(shí)際使用時(shí)接收信號(hào)的能力，但是每種衰落模型都只是對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中單一情況的模擬，有其固有的局限性。

本文基于硬件設(shè)計(jì)層面，主要針對(duì)靜態(tài)靈敏度進(jìn)行討論。主要關(guān)注接收射頻通路，先總結(jié)關(guān)于提高接收靈敏度的各種現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合實(shí)際使用探討關(guān)于接收機(jī)靈敏度指標(biāo)的優(yōu)化，尋求切實(shí)可行的解決路徑。

2 如何提高接收機(jī)靈敏度

2.1 提高接收機(jī)靈敏度的通用方案

影響接收機(jī)靈敏度指標(biāo)的因素很多，包括天饋線系統(tǒng)、接收機(jī)內(nèi)部線纜布局、整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、射頻模塊本身的指標(biāo)等，通常為了提高接收機(jī)的接收靈敏度指標(biāo)，可以從以下三個(gè)方面來(lái)著手：

（1）降低接收機(jī)系統(tǒng)的本底噪聲。這其實(shí)從電路及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段就開(kāi)始了，貫穿于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)和安裝過(guò)程中。比如：結(jié)構(gòu)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(tǒng)的其他電路完全隔離；射頻電路使用高性能指標(biāo)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(hào)參考層保持完整，避免在LNA電路下方走其他信號(hào)線和電源線；采用高穩(wěn)定度的本振電路，保證相位噪聲足夠小；接收機(jī)前端采用低插損、高抑制度指標(biāo)的濾波器；采用共增益天線也會(huì)起到降低底噪的效果，天線的擺放位置需要合理選點(diǎn)等。

（2）提高接收信噪比。為了提高接收機(jī)的信噪比，還是先要降低接收機(jī)本身的噪聲，然后合理放大有用信號(hào)。如何接收機(jī)本身的噪聲前面已經(jīng)提到，在對(duì)接收到的小信號(hào)放大過(guò)程中，LNA需要盡量選擇噪聲系數(shù)小的放大器，并且進(jìn)行合理匹配，保證最優(yōu)的穩(wěn)定性系數(shù)、噪聲系數(shù)和增益。以此來(lái)達(dá)到理想的接收信噪比。

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

2.2 PDT接收機(jī)靈敏度指標(biāo)分析

PDT系統(tǒng)屬于窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)，采用TDMA（2時(shí)隙）方式，信號(hào)帶寬12.5kHz，4FSK調(diào)制，調(diào)制速率9.6kb/s。對(duì)于這樣特定的系統(tǒng)，接收信號(hào)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(tǒng)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(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

天線接收到信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器處理后送給LNA電路放大并濾波，然后通過(guò)混頻得到中頻信號(hào)，再進(jìn)行窄帶濾波并放大后送給AD9864進(jìn)行數(shù)字化處理。

由于中頻數(shù)字化芯片AD9864的接收靈敏度是-108dBm，要想使整機(jī)接收靈敏度達(dá)到-122dBm，解調(diào)信噪比按6dB計(jì)算，理論上前端總增益有20dB就足夠了，實(shí)際上由于系統(tǒng)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(guò)高的話又會(huì)影響到接收互調(diào)響應(yīng)抗擾性和接收雜散響應(yīng)抗擾性等指標(biāo)，導(dǎo)致接收機(jī)的性能下降，因此，需要合理分配各個(gè)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(tǒng)噪聲，提高接收信噪比。下面按照這個(gè)思路對(duì)接收通路中的各個(gè)射頻單元設(shè)計(jì)分別進(jìn)行討論。首先，對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)的電路架構(gòu)和器件參數(shù)進(jìn)行仿真：

圖2 接收機(jī)系統(tǒng)各部件仿真結(jié)果

下面，根據(jù)圖2的系統(tǒng)仿真結(jié)果結(jié)合實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，對(duì)每個(gè)單元電路分別進(jìn)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(jìn)入LNA電路的噪聲。它最主要的指標(biāo)包括品質(zhì)因數(shù)（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(nèi)信號(hào)被濾波器的衰減，對(duì)系統(tǒng)靈敏度有著最直接的影響，改變這個(gè)濾波器的IL指標(biāo)，靈敏度會(huì)相應(yīng)隨之改變。插入損耗有1dB，則信號(hào)功率被衰減20%；當(dāng)插入損耗到達(dá)3dB時(shí)，則信號(hào)功率被衰減50%。其中，插入損耗指標(biāo)直接影響著接收系統(tǒng)的靈敏度，因?yàn)镮L直接增大了系統(tǒng)噪聲，這是后面的電路無(wú)法彌補(bǔ)回來(lái)的，IL每增加1dB，靈敏度就會(huì)響應(yīng)減小1dB，因此，要求插入損耗指標(biāo)越小越好，實(shí)際使用中不超過(guò)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(hào)的幅度，以便正確解調(diào)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常采用低噪聲系數(shù)的器件、增加屏蔽、加強(qiáng)散熱減小熱噪聲等辦法，盡量減小噪聲系數(shù)。

LNA的噪聲系數(shù)會(huì)直接疊加在接收機(jī)上，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，很少孤立的設(shè)計(jì)LNA，相反，要將射頻鏈路看作一個(gè)整體來(lái)設(shè)計(jì)，在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中采用超導(dǎo)體濾波器+LNA放大器，最大程度的降低接收機(jī)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(jí)電路噪聲對(duì)總噪聲系數(shù)的影響，尤其是當(dāng)后級(jí)是下變頻混頻器時(shí)。但是一味的追求提高增益會(huì)使后級(jí)的非線性更加顯著。因此，當(dāng)提升放大器的增益時(shí)需要在噪聲系數(shù)和接收機(jī)的線性度之間進(jìn)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(duì)于靈敏度和三階互調(diào)IP3指標(biāo)的影響，其中，橫坐標(biāo)為放大器增益Gain。由圖可見(jiàn)，提高低噪聲放大器LNA電路的增益會(huì)使靈敏度得到改善，但是并不能無(wú)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(shí)會(huì)帶來(lái)噪聲系數(shù)和三階互調(diào)等指標(biāo)的惡化，影響接收機(jī)性能。

圖3 提高LNA的增益對(duì)于靈敏度的影響

圖4 提高LNA的增益對(duì)于IP3指標(biāo)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(hào)，減小混頻電路對(duì)LNA的影響，這個(gè)濾波器的噪聲系數(shù)/插入損耗指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)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(wú)源混頻器SYM-25DHW+，其插入損耗約6dB，混頻電路對(duì)于系統(tǒng)噪聲的影響基本上取決于本振信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)；本振電路是接收機(jī)系統(tǒng)中的核心電路，其穩(wěn)定性和相位噪聲等指標(biāo)直接決定了接收機(jī)性能的優(yōu)劣，前面的射頻通路分析都是基于理想本振信號(hào)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(biāo)，它的插入損耗選指標(biāo)會(huì)增大系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，對(duì)接收靈敏度有影響，但是可以通過(guò)增大前端LNA的增益進(jìn)行補(bǔ)償，因此，需要選用高穩(wěn)定度的石英晶體濾波器，具有帶外抑制高（60dB以上），矩形系數(shù)好，頻率穩(wěn)定穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)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(hào)的幅度，以達(dá)到AD9864的接收范圍，由仿真和測(cè)試可見(jiàn)，它對(duì)靈敏度指標(biāo)基本上沒(méi)有幫助，但是要注意盡量避免電路引入干擾，減小噪聲系數(shù)。

通過(guò)以上的仿真分析和實(shí)際測(cè)試可見(jiàn)，對(duì)于如何提高接收機(jī)靈敏度，需要對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)做一個(gè)綜合的考量，涉及到設(shè)備的體積大小、使用環(huán)境、成本因素等。

2.3 PDT接收機(jī)靈敏度指標(biāo)優(yōu)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(biāo)對(duì)接收靈敏度的影響非常關(guān)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(shù)。同時(shí)，需要合理分配各級(jí)電路的工作范圍，使信號(hào)達(dá)到穩(wěn)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(biāo)對(duì)接收靈敏度有直接的影響，接收靈敏度會(huì)隨著插入損耗增加而降低，因此，這個(gè)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(hào)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(diǎn)濾波器波形

圖6 矩形腔體單點(diǎn)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(jiàn)：圓筒腔體單點(diǎn)濾波器的帶寬可以做到很窄，并且?guī)?nèi)插入損耗非常小，缺點(diǎn)是體積太大，并且?guī)庖种贫炔粔蚶硐耄痪匦吻惑w單點(diǎn)濾波器則可以實(shí)現(xiàn)很好的帶外抑制度，缺點(diǎn)也是體積較大，在空間較寬裕并且頻率固定的使用環(huán)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(nèi)插入損耗和帶外抑制度指標(biāo)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(shù)是做的最好的，插入損耗指標(biāo)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(yuǎn)端，抑制度很差，其優(yōu)點(diǎn)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(shí)際測(cè)試對(duì)比，使用腔體濾波器接收機(jī)的底噪，通常會(huì)比使用聲表濾波器接收機(jī)的底噪降低3-5dB。現(xiàn)有的警用數(shù)字集群（PDT）通信系統(tǒng)的基站信道機(jī)，接收頻帶是351MHz-356MHz，發(fā)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(dá)到80dB。

2.3.2 優(yōu)化低噪聲放大器

低噪聲放大器處于接收機(jī)系統(tǒng)前端，它的主要作用放大系統(tǒng)接收到的微弱信號(hào)，降低噪聲干擾，提高接收信號(hào)靈敏度，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，其噪聲、線性和匹配等性能好壞直接影響到整個(gè)接收系統(tǒng)的性能。噪聲系數(shù)（NF）作為L(zhǎng)NA的主要技術(shù)指標(biāo)，在設(shè)計(jì)之初就要首先考慮對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

噪聲系數(shù)定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值，即

用分貝數(shù)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(lái)匹配設(shè)計(jì)，噪聲最佳點(diǎn)并非增益最大點(diǎn)，因此增益G會(huì)下降。噪聲匹配情況下的增益稱(chēng)為相關(guān)增益，通常，相關(guān)增益比最大增益低2-4dB。

為了優(yōu)化低噪聲放大器電路，需要從電路設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到降低噪聲影響。首先在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)除了選用低噪聲系數(shù)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(shè)計(jì)，BFU760F是一款高增益、寬動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲的NPN寬帶硅鍺RF晶體管，只需要一個(gè)正的電壓偏置，器件體積小，電路集成度高。根據(jù)器件性能，在漏電流IDS為60 mA時(shí)能得到最高的三階截取點(diǎn)（IP3）和最低噪聲系數(shù)（NF），在漏電壓VDS為3 V時(shí)，有較高的增益。電源芯片選用LINEAR公司的LT3045F，它的最大特點(diǎn)就是超低紋波（0.8uV），具有較寬的輸入范圍，可以穩(wěn)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(shí)，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，需要保留一層完整的地平面，LNA電路下方避免走信號(hào)線等，最大程度減小噪聲干擾。

3 結(jié)束語(yǔ)

接收機(jī)靈敏度跟很多因素有關(guān)，如系統(tǒng)天線的增益、阻抗匹配，軟件算法優(yōu)化解調(diào)信噪比等。靈敏度一般來(lái)說(shuō)越高（數(shù)值越低），說(shuō)明其接收微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)，但也帶來(lái)容易被干擾的問(wèn)題，通常對(duì)于基站來(lái)說(shuō)，接收靈敏度指標(biāo)需要與發(fā)射覆蓋范圍綜合考慮，只要能滿(mǎn)足使用要求即可，過(guò)高的追求接收靈敏度不僅加大設(shè)計(jì)難度，還會(huì)提高設(shè)備的成本。在硬件設(shè)計(jì)層面，首先要考慮的就是壓低接收機(jī)的本底噪聲，然后提高有用信號(hào)的幅度，以此提高接收信噪比，達(dá)到提高接收靈敏度的效果。這個(gè)思想應(yīng)該貫穿于接收射頻通路中各個(gè)電路單元的設(shè)計(jì)之中。