寬帶接收機抗背景干擾問題研究

張英浩，戚瓏贏，胡子楊，孫 遜

（中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153）

0 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展和人們需求的不斷增大，各種功能的無線電設(shè)備越來越多，電磁頻譜越來越擁擠，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，從而對寬帶接收機［1?2］的干擾也更加嚴重。尤其是在UHF和L波段，各種民用通信頻段包含其中，電磁頻譜異常豐富，如常見的通信基站2G、3G、4G信號［3］。各種背景信號進入寬帶接收機，對正常接收信號形成干擾，造成接收機底噪大大提高，接收信號的信噪比嚴重惡化，影響接收機對有用信號的接收處理。寬帶接收機抗背景干擾設(shè)計是目前寬帶接收機的一個迫切需求。

本文針對某L波段寬帶接收機受背景干擾問題，對背景干擾機理進行了分析，根據(jù)干擾機理對接收機進行了改進設(shè)計，提高了接收機抗背景噪聲能力。

1 背景干擾機理分析

L波段寬帶接收機由帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器、中頻濾波器、中頻放大器和數(shù)字模塊等組成，工作頻段為0.7～2 GHz，其原理框圖及主要性能指標分配如圖1所示。圖中，帶通濾波器用于對帶外信號的抑制以防止帶外信號對接收機的干擾，低噪放放大器（LNA）用于接收寬帶信號的低噪聲放大，混頻器用于將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，中頻濾波器用于中頻信號濾波，中頻放大器用于中頻信號的放大，數(shù)字模塊用于中頻信號的模數(shù)變化及數(shù)字信號處理［4］。經(jīng)計算，接收機增益為48 dB，噪聲系數(shù)為2.52 dB，射頻前端（含低噪聲放大器和混頻器）輸入P-1點約為-24.5 dBm。

圖1 原寬帶接收機原理框圖

該寬帶接收機一般工作正常。但是，隨著目前移動通信的飛速發(fā)展，L波段電磁頻譜越來越擁擠，該寬帶接收機越來越受到電磁背景的干擾，特別是在移動通信基站附近、人口密集區(qū)域等會出現(xiàn)明顯的性能下降情況。

在L波段附近民用通訊信號頻譜豐富，采用喇叭天線和頻譜儀采集到的空間電磁頻譜情況如圖2所示，頻段覆蓋了 0.8～2.5 GHz。

圖2 采集到的空間電磁頻譜

在有些場合，這些復(fù)雜的背景電磁頻譜功率較大，進入寬帶接收機后會使得前端射頻器件產(chǎn)生飽和非線性失真現(xiàn)象，背景干擾信號相互交調(diào)，造成接收機底噪大大提高。同時，有用信號由于前端增益壓縮而幅度變小，從而接收信號的信噪比嚴重惡化，影響接收機對有用信號的接收處理。

2 改進寬帶接收機設(shè)計

根據(jù)前面分析，造成寬帶接收機受干擾的主要原因是豐富的背景干擾信號造成接收機射頻前端飽和，改進寬帶接收機從提高接收機射頻前端的飽和點和對背景干擾頻譜進行抑制兩個方面進行考慮，從而提高接收機的抗背景干擾能力。改進寬帶接收機原理框圖及主要性能指標分配如圖3所示。

圖3 改進寬帶接收機原理框圖

相對于原方案，改進寬帶接收機低噪聲放大器增益由35 dB降低為28 dB，輸出P-1點由12 dBm提高至20 dBm，從而提高射頻前端P-1點。同時，由于器件技術(shù)的發(fā)展，低噪聲放大器噪聲系數(shù)也由原2.0 dB降低為1.5 dB，保證了接收機的噪聲系數(shù)指標。

混頻器采用高IP3混頻器，采用8個二極管組成的雙平衡混頻結(jié)構(gòu)代替原4個二極管組成的雙平衡混頻器（見圖4），提高了勢壘高度，進而提升了混頻器1 dB壓縮點。改進后混頻器輸入P-1由原10 dBm提高至15 dBm，從而提高射頻前端P-1點。

圖4 混頻器改進設(shè)計

通過低噪聲放大器增益的降低，低噪聲放大器和混頻器P-1的提高。經(jīng)計算，改進后的寬帶接收機射頻前端輸入P-1點約為-9.5 dBm，與原接收機相比提高了15 dB，增強接收機抗背景干擾能力。

由于背景干擾頻譜分布廣泛，前端射頻器件又均為寬帶器件，因此大量干擾信號進入接收機后經(jīng)過放大器放大極易導(dǎo)致混頻器飽和。因此，在低噪聲放大器和混頻器之間增加了開關(guān)濾波器組，將接收頻帶分為4段，如表1所示。對干擾信號進行分段抑制，從而減小混頻前干擾信號，提高接收機抗背景干擾能力。

表1 開關(guān)濾波器組頻段劃分

3 試驗情況

選擇某背景干擾較強的外場進行改進寬帶接收機和原接收機抗背景干擾對比試驗。試驗方法如圖5所示。采用喇叭天線接收外界背景干擾信號，信號源產(chǎn)生接收機正常工作接收信號。兩種信號合成后送接收機，斷開喇叭天線則接收機沒有背景干擾，接上喇叭天線則接收機受到背景干擾。采用計算機采集接收機輸出信號數(shù)據(jù)進行FFT變換，對輸出信號、噪聲和信噪比等指標進行有無干擾條件下的對比測試。

圖5 外場測試連接框圖

測試時，信號源輸入功率為-50 dBm，保證接收機使用信號源激勵時各器件未飽和。圖6為在1.1 GHz頻點兩種接收機在加入背景干擾前后輸出信號頻譜情況。原接收機在加入背景干擾后，底噪明顯抬升約20 dB，有用信號幅度降低約7 dB，信噪比惡化達27 dB。改進后接收機底噪和增益無明顯變化，信噪比無惡化，相對于原接收機信噪比改善27 dB，即抗背景干擾能力提高了27 dB。其余頻點測試情況見表2。由表數(shù)據(jù)可知，在相同的外場背景干擾條件下，改進寬帶接收機輸出信號信噪比惡化明顯減小，相對于原接收機信噪比改善15 dB以上，部分頻點改善20 dB以上，抗背景干擾能力大大增強。

表2 兩種接收機背景干擾下信號惡化對比

圖6 兩種接收機加入背景干擾前后輸出信號頻譜對比

4 結(jié)束語

受民用通信影響，L波段附近電磁頻譜豐富，寬帶接收機易受背景干擾，造成射頻前段飽和，輸出信噪比惡化，影響接收機對有用信號的接收處理。本文采用降低低噪聲放大器增益，提高低噪聲放大器和混頻器P-1方法，提高了射頻前端的飽和點；同時，采用在低噪聲放大器和混頻器之間增加了開關(guān)濾波器組，對干擾信號進行分段抑制，從而提高了寬帶接收機的抗背景干擾能力。對樣機的實測結(jié)果表明，改進后接收機綜合抗背景干擾能力提升15 dB以上，部分頻點可達20 dB以上。這種寬帶接收機抗背景干擾改進設(shè)計方法也可應(yīng)用于其他頻段接收機。