作者：徐蘭

    無線電監測系統需要接收不同形式的信號，因此應具有高接收靈敏度、大動態范圍、極快的搜索截獲速度、寬工作頻率范圍、多種信號形式的解調能力、完善的信號分析處理能力、靈活的控制方式、多站構成廣域系統等功能。

    無線電信號強弱差異很大，監測系統既要監測小信號，還要監測大信號，這就要求監測系統具有很寬的動態范圍。

    監測系統動態范圍對測試結果的影響

    圖1為國外某監測系統的實際監測界面。(a)、(b)不同之處在于分別獲取兩界面時，發射源與監測系統天線間的距離不同。分析（a）中的數據，此時發射源與監測系統天線間的距離較遠，最大信號電平為35dBμV，290MHz～300MHz頻段中超過10 dBμV的信號只有5個。（b）中發射源與監測系統天線間的距離較近，最大信號電平為82dBμV，而290 MHz～300 MHz頻段中所有頻道電平值均超過了10 dBμV。顯然，（b）圖中，由于大信號電平超過了系統瞬時動態范圍限值（約65 dB）而產生了內部失真。假如頻道占用度自動測試系統以10 dBμV作為統計門限來測試各頻道占用情況，則最大信號電平為35 dBμV時290 MHz～300 MHz頻段中只有5個頻道被占用。而最大信號電平為82dBμV時會作出290 MHz～300 MHz頻段中所有頻道全部被占用的錯誤報告。

    可見，有必要對頻譜監測系統產生內部失真產物的機理進行研究，以便在工程建設中采取有效的技術措施予以弱化;還應對現有設備的內部失真性能進行研究，以便在使用中揚長避短，同時要對各設備提供方產品的內部失真性能進行研究，以便在采購時擇優決策。

    系統動態范圍受限的幾個環節

    2.1有源天線動態范圍的限制

    有源天線一般由天線陣子、保護電路、匹配、放大器等電子電路構成。其內部保護電路、放大器等的輸入輸出特性有一定的線性動態范圍，正常使用時信號強度應在它的線性動態范圍內，否則就會產生天線內部失真。接收機的內部失真產物還可以利用外接RF衰減器試驗方法加以識別，而天線內部失真產物往往會被監測系統認為是空中信號而作出錯誤的判定。

    2.2天線轉換矩陣動態范圍的限制

    天線轉換矩陣一般由電子開關構成。當需要通過的信號電平過大時，會被限幅而產生內部失真產物。

    2.3混頻器動態范圍的限制

    混頻器工作原理就是依靠電子電路的非線性作用，產生本振頻率與信號頻率的和或差頻，而實現信號頻率搬移的。當兩個以上信號同時輸入到混頻器時，各輸入信號及它們的諧波成分在混頻器內部同樣會產生和或差頻。這種新的頻率成分（接收機內部失真）也有可能落到中頻帶內。在一定的信號電平范圍內，混頻器產生的內部失真可以被忽略。但二階內部失真信號電平隨輸入信號電平按二次方規律增長;三階內部失真信號電平隨輸入信號電平按三次方規律增長。可見，當總的輸入信號電平大到一定程度時混頻器產生的內部失真便不能被忽略了。

    2.4中頻放大器對動態范圍的限制

    為了接收小信號，中頻放大器必須提供相當高的增益。中頻增益主要決定著系統的靈敏度性能。但是，中頻放大器也有一定的動態范圍，輸入信號增大時就會出現失真。一般通信接收機中常采用負反饋電路實現自動增益控制。然而，在監測接收機中卻不能這樣做，因為監測接收機要準確測量信號電平值。有的接收機企圖通過衰減信號的方法減少失真，這種方法在降低大信號的同時也對小信號進行了衰減。這就使其測量小信號的能力降低了，其總體效果降低了系統的靈敏度，反而使得系統動態范圍降低。

    2.5模數轉換器（ADC）動態范圍的限制

    ADC動態范圍的下限（識別最小信號的能力）與ADC的轉換靈敏度及信噪比有關。

    （1)ADC的轉換靈敏度

    ADC的轉換靈敏度（也稱ADC的分辨率）取決于ADC器件的輸入電壓范圍Vp-p（-V，V）及其轉換位數n;若Vp-p=2V，一個量化階所能識別的電壓為ΔV=2V/2n;ADC位數越多，器件電壓輸入范圍越小，它的轉換靈敏度越高。

    （2)信噪比（SNR）

    理論上給定采樣頻率fs時，處于0.5fs帶寬內的量化噪聲為ΔV/，對于一個滿量程的正弦信號，SNR可表示為:

    SNR=6.02n+1.76dB+10lg（fs/2B），

    B為模擬中頻信號帶寬。

    在一個模擬中頻帶寬中同時不失真地監測大、小信號的最大能力與ADC的信噪比值近似（不超過），即:監測大信號不產生壓縮的幅度為ADC的滿量程值，最小信號的識別條件是信號幅度大于ADC的底噪（可以認為是ADC的分辨率）。

    當fs=67.8MHz，B=4MHz，Vp-p=1V時，SNR值見表1。

    從表1中可看出，采用轉換位數n越大，采樣頻率fs越高，ADC動態范圍就越大，當然這樣的選擇成本越高。

    改善監測系統動態范圍降低系統內部失真的方法

    （1）盡量選用專業監測接收機

    專業監測接收機設計有RF預選器，一般由多個不同帶寬和中心頻率的亞倍頻程濾波器組成。由于目前業界對寬帶信號監測功能的重視，過去常用的監測接收機只有窄帶中頻，不能勝任寬帶信號的監測，有些同行就把目標轉到了目前較先進的具有寬帶掃頻功能的射頻信號分析儀上，它們的高速、寬帶功能很有優勢，但由于它們一般在RF輸入之后沒有進行RF預選處理（或只有簡單的低通濾波），所以，在城區復雜的電磁環境中，當監測頻段四周有大信號時它們的抗干擾能力明顯較接收機差。由大信號進入接收通道產生的非線性失真分量，不但抬高了底噪，使系統靈敏度降低，有些甚至大大超過外部信號，即出現了外界客觀不存在的假信號，這樣的監測系統實際上的瞬時動態范圍是不能滿足復雜電磁環境下監測工作需要的。

    合理的選配方案應該是：選用有RF預選器的專業監測接收機模擬通道（有些廠家稱為tuner），利用其寬帶中頻輸出，進行可控衰減的中頻放大濾波處理，之后做14或16位精度的A/D轉換、數字下變頻、數字正交變換、專用DSP（FFT變換、信號解調、監測測向專業算法的實現）、PC接口及顯示操作實現。

    （2）采用無源天線

    在條件許可的情況下，選用無源天線做監測天線是明智的。在固定站可由不同頻段的多副無源天線覆蓋全頻段;但在頻率低段，要保證無源天線增益足夠高，天線尺寸就要足夠大，這在外出執行監測任務時極為不方便。現在已有方便安裝與撤收的寬帶（50MHz～3GHz）便攜天線供選用。

    （3）采用大動態范圍天線轉換開關矩陣

    監測系統使用的射頻開關矩陣一般由寬頻率范圍的微波開關電路構成。例如HE116GaAs單刀雙擲微波開關電性能中，1dB壓縮輸入功率為16～24dBm，假如射頻輸入電平值超過此限值也會產生失真產物。所以，應該采用大動態范圍微波開關電路構成的射頻開關矩陣。

    （4）采用高性能預選器

    性能優良的射頻預選器應由RF衰減器、亞倍頻程帶通濾波器、窄帶帶阻濾波器、低噪聲放大器等構成。

    一般接收機都有RF衰減器。在測量大信號時，為了保護設備和避免失真經常使用RF衰減。亞倍頻程帶通濾波器用于對帶外信號進行有效抑制，盡可能減少大信號進入系統的機會。窄帶帶阻濾波器在系統設計時適當使用，將監測站存在的定頻常發大信號進行有效抑制。為了提高測試系統的靈敏度，低噪聲放大器經常在測量小信號時使用，但此時要非凡注重控制其輸入總電平值，以免其產生的內部失真帶來錯誤的報告。

    （5）采用大動態范圍混頻電路

    混頻電路的動態范圍對系統動態范圍起著要害作用，應盡量擴大。但是，這會使系統功耗增加。也可通過應用軟件調整混頻器的本振電平值，本振電平越高，1dB壓縮點也越高，動態范圍就越大。當然這也可能使本振信號泄漏發射升高，給系統電磁兼容帶來不良影響。

    （6）采用數字控制中頻增益控制

    一般接收機的人工增益控制（MGC）和自動增益控制（AGC）功能均用來調整系統的動態范圍。但是，由于它們影響電平測量的準確性，在頻譜監測時不能使用。對此，一般采用數字增益控制（DGC），系統在根據信號大小控制中頻放大器的增益值的同時，對信號電平測量結果進行相應修正。

    （7）提高ADC的信噪比

    提高ADC的信噪比（SNR），可以使系統瞬時動態范圍得到提高，以增加硬件成本為代價的方法有:

    增加ADC的有效位數n、提高采樣頻率fs、降低一次采樣的模擬信號帶寬B。

    還可以實時調整ADC不過載的監測范圍：

    根據實際監測環境的情況確定系統重點監測場強的范圍，適時調整線性不過載范圍。如圖2所示，在監測強信號為重點時控制增大Vp-p，使監測信號幅度范圍上移為D′，在監測小信號為重點時，控制減少Vp-p，使監測信號幅度范圍下移為D″。

    結束語

    電子電路工作中產生內部失真產物是難免的，我們只要能適當控制使其頻率不要落在測試帶內，或者幅度不超過要測試的最小信號電平值，即可不產生錯誤的測試報告。當系統內部失真有可能產生假信號造成錯誤測試報告時，還可以利用監測系統內部失真產物信號自動識別的應用技術（如:采用輸入射頻電平實驗、信號多域相關性判別、頻譜模型識別等技術）對測量得到的信號，非凡是小信號和互調信號進行自動識別，判定它們是否確屬來自空間的電磁信號。

    好的監測系統不僅要求發現小信號的能力強,靈敏度高，還要求系統線性好，具有寬的線性動態范圍，即能在強弱信號并存的電磁環境下不失真地工作。

    參考文獻

    [1]李景春.擴展監測站覆蓋區域技術研究.中國無線電.2006.4

    [2]揚小牛等著.軟件無線電原理與應用

    [3]揚小牛等譯.軟件無線電技術與實現

    [4]朱慶厚編著.無線電監測與通信偵察

    [5]ITU頻譜監測手冊