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隨著VHF/UHF接收機(jī)靈敏度的不斷提高，監(jiān)測(cè)能力不斷增強(qiáng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的非線性干擾問題也逐漸凸顯出來。一個(gè)優(yōu)良的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不但要有監(jiān)測(cè)微弱信號(hào)的能力，而且要有對(duì)虛假信號(hào)的免疫能力。虛假信號(hào)通常是遠(yuǎn)離接收機(jī)調(diào)諧頻率的大信號(hào)相互之間因非線性作用而產(chǎn)生的。無線電監(jiān)測(cè)人員需要了解所使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的非線性特性對(duì)監(jiān)測(cè)工作的影響程度。本文為此進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非線性特性進(jìn)行了直觀的可視化分析。
V/UHF監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非線性特性及動(dòng)態(tài)范圍
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的非線性特性是指監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的虛假響應(yīng)，是饋線、接收機(jī)、放大器以及其他附件的非線性特性的總和。相位噪聲、三階互調(diào)以及高階互調(diào)失真、信號(hào)壓縮等影響可參考接收機(jī)的方法。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非線性動(dòng)態(tài)范圍是有效的輸入信號(hào)范圍，可采用“無雜散動(dòng)態(tài)范圍”（SFDR，spuriousfree dynamic range）的概念。這里用“無雜散動(dòng)態(tài)范圍”來表示整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的一部分，是指當(dāng)兩個(gè)等功率信號(hào)輸入時(shí)，沒有超過噪底3 dB的虛假信號(hào)的范圍。輸人信號(hào)下限靈敏度為Pin,min，輸入信號(hào)的上限為Pin,max。規(guī)定此輸入信號(hào)在輸出端引起的三階互調(diào)失真分量（Po3）折合到輸入端恰好等于基底噪聲（Gp是功率增益），則無雜散動(dòng)態(tài)范圍定義為:
�、�。由系統(tǒng)的基底噪聲 Pt和所要求的輸出信噪比(SNR)o,min可以求出靈敏度，而由系統(tǒng)的三階互調(diào)失真IP3和基底噪聲Pt可以求出Pin,max。無雜散動(dòng)態(tài)范圍以對(duì)數(shù)形式表示的動(dòng)態(tài)范圍為:
DRf =2/3（IP3-NF-10logB+174 dBm） ②。
NF:噪聲系數(shù)，dB。
V/UHF監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 非線性動(dòng)態(tài)范圍的可視化分析
本次研究注重不同信號(hào)強(qiáng)度下V/UHF監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反映出來的不同非線性現(xiàn)象，如明顯的相位噪聲、三階互調(diào)失真信號(hào)、底噪的明顯惡化、雜波等，分析各種不同非線性現(xiàn)象的數(shù)據(jù)。此外，分析了不同頻率范圍對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的非線性現(xiàn)象的影響。
2.1 測(cè)試方法
兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源SMIQ（合路器與饋線衰減量4 dB）同時(shí)向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸入射頻信號(hào)，輸入口為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收機(jī)天線口，測(cè)試信號(hào)頻率f1、f2分別為400 MHz和400.1 MHz,信號(hào)強(qiáng)度分別為-90 dBm～0 dBm進(jìn)行連續(xù)的加載測(cè)試。測(cè)試得到各輸入信號(hào)強(qiáng)度時(shí)的中頻頻譜圖，同時(shí)又輸入30 MHz～1000 MHz之間不同頻點(diǎn)，測(cè)試不同頻點(diǎn)出現(xiàn)的三階互調(diào)現(xiàn)象電平值。系統(tǒng)測(cè)試流程詳見圖1。
2.2 測(cè)試過程
本次測(cè)試將信號(hào)強(qiáng)度分別為-90 dBm～0 dBm進(jìn)行連續(xù)加載，得到各輸入信號(hào)強(qiáng)度時(shí)的中頻頻譜圖，詳細(xì)如下所示。
�。�1）輸入信號(hào)強(qiáng)度為-90 dBm，輸出信號(hào)如圖所示。
�。�2）輸入信號(hào)強(qiáng)度為-30 dBm，輸出信號(hào)如圖所示。
�。�3）繼續(xù)增加信號(hào)強(qiáng)度至-21 dBm，這時(shí)輸出信號(hào)如圖所示。
�。�4）增加輸入信號(hào)強(qiáng)度至0 dBm，輸出信號(hào)如圖所示。
�。�5）測(cè)試不同頻率范圍出現(xiàn)的三階互調(diào)電平值。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。
測(cè)試結(jié)果分析
從以上不同信號(hào)強(qiáng)度所得的中頻頻譜圖和不同頻率范圍出現(xiàn)的三階互調(diào)電平測(cè)試值，我們分析總結(jié)出以下四個(gè)結(jié)論。
3.1 結(jié)論一
從圖2顯現(xiàn)的中頻頻譜圖看，當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，由于沒有非線性特性的影響，各項(xiàng)顯示參數(shù)正常，其中底噪約為-8 dBμv，周圍沒有明顯的互調(diào)產(chǎn)物以及相位噪聲等非線性。
此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在中頻帶寬為1000 kHz（為中頻顯示帶寬，不是分辨率帶寬）時(shí)的本底噪聲-8 dBμv，按照輸入電阻50Ω計(jì)算，得到-115 dBm的電平值。
S=-174 dBm+NF+10logB+K ③。
S: 靈敏度，dBm;
-174 dBm:是室溫下，1Hz帶寬的熱噪聲（KTB）;
NF:噪聲系數(shù)，dB;
B:中頻帶寬，Hz，（假設(shè)是視頻或解調(diào)帶寬的兩倍）;
K:期望的信納比，dB。
④。注:NF是以dB方式表示的噪聲系數(shù);
Si是設(shè)備輸入端的信號(hào)功率;
Ni是設(shè)備輸入端的噪聲功率。
由公式③可知，靈敏度是隨著噪聲系數(shù)的變化和/或中頻帶寬的變化而變化。根據(jù)公式①推算當(dāng)中頻帶寬為100 kHz時(shí)，底噪為-125 dBm。如要求期望的信納比K為10 dB，則可得靈敏度S=-125+10=-115 dBm。
3.2 結(jié)論二
從圖3、圖4的中頻頻譜圖中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)強(qiáng)度為-30 dBm時(shí)，在距輸入信號(hào)中心400 MHz和400.1 MHz頻率處10 kHz及以內(nèi)處，頻率的底噪上升,約為15 dB,同時(shí)10 kHz以外底噪也增加5 db,非線性特性的相位噪聲影響較強(qiáng)，但此時(shí)互調(diào)失真信號(hào)還沒有開始出現(xiàn)。
繼續(xù)增加信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)輸入信號(hào)強(qiáng)度為-21dBm時(shí)，在距輸入信號(hào)中心400 MHz和400.1 MHz頻率處10 kHz及以內(nèi)處，頻率的底噪更加增強(qiáng),約為20 dB,同時(shí)10 kHz以外底噪也增加15 db,非線性特性的相位噪聲影響更強(qiáng)。相位噪聲形成是由于振蕩器短時(shí)間的穩(wěn)定度影響，起源于振蕩器輸出信號(hào)的相位、頻率和幅度的變化，同時(shí)也受不同鎖相環(huán)帶寬的影響。從相位噪聲的影響看，一個(gè)純凈的正弦波信號(hào)顯示時(shí)應(yīng)為一根譜線，但實(shí)際振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)卻比單一譜線寬，它將淹沒靠近載波的小信號(hào)。
3.3 結(jié)論三
從圖4、圖5顯現(xiàn)的中頻頻譜分析，此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在輸入信號(hào)強(qiáng)度為-20 dBm時(shí)，互調(diào)失真信號(hào)開始出現(xiàn)。根據(jù)三階互調(diào)失真所遭遇到的最主要的失真的頻率關(guān)系:
2f1±f2=ft (三階互調(diào)失真) ⑤;
3f1±2f2=ft (五階互調(diào)失真) ⑥;
4f1±3f2=ft (七階互調(diào)失真) ⑦。
注:f1、f2為有害大信號(hào)的頻率;
ft為接收機(jī)調(diào)諧頻率上的互調(diào)產(chǎn)物。
中頻頻譜圖上顯示的頻率為400.2 MHz和399.9 MHz頻率上的信號(hào)為三階互調(diào)信號(hào)。在400.3 MHz、400.4 MHz、399.8 MHz、399.7 MHz等與主頻間隔100 kHz整數(shù)倍的頻率上也出現(xiàn)對(duì)稱信號(hào)，根據(jù)頻率關(guān)系，可分辨為兩信號(hào)五階、七階互調(diào)。
根據(jù)SFDR定義，可以方便地計(jì)算出該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍為-20 dBm-4-（-115 dBm）=91 dB。而從表1可見，不同頻段與出現(xiàn)的三階互調(diào)點(diǎn)電平值沒有直接的關(guān)系。
3.4 結(jié)論四
從圖5的中頻頻譜圖分析，繼續(xù)增加輸入信號(hào)的強(qiáng)度至0 dBm，頻率的底噪繼續(xù)略有上升，多階互調(diào)失真信號(hào)繼續(xù)增強(qiáng)，同時(shí)多階互調(diào)失真信號(hào)、射頻信號(hào)由于器件非線性壓縮，幅度沒有呈現(xiàn)出線性關(guān)系，導(dǎo)致幅度大小接近。頻譜上產(chǎn)生許多雜亂信號(hào)，原因?yàn)榻邮諜C(jī)內(nèi)部許多產(chǎn)生虛假響應(yīng)的機(jī)制同時(shí)工作，一些與合成器的工作方式有關(guān)，而有些響應(yīng)是在兩次和三次變頻的設(shè)計(jì)中所必需的不同本振的諧波相互混頻產(chǎn)生。此時(shí)，由于底噪高、雜波多，輸入信號(hào)壓縮嚴(yán)重，互調(diào)信號(hào)以及其它信號(hào)幾乎與輸入信號(hào)相同，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)性能已嚴(yán)重惡化。
總之，通過不同信號(hào)強(qiáng)度在V/UHF監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反映出來的不同非線性現(xiàn)象，如三階互調(diào)失真信號(hào)的開始出現(xiàn)、底噪的明顯惡化、雜波的出現(xiàn)等，不僅能直觀地顯示各種不同非線性現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，并能分析與測(cè)試不同頻率范圍對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的非線性現(xiàn)象的影響程度。而深入地了解V/UHF監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，對(duì)無線電監(jiān)測(cè)工作將是很有益處的。
