数字监测接收机的主要性能指标分析_黄光星

监测检测Monitoring&Detection56中国无线电2010年第3期0前言随着A/D转换器、FPGA和高速DSP的快速发展，数字监测接收机技术日趋成熟，在无线电监测工作中逐渐得到普及。宽带和数字化是无线电通信发展的趋势，数字监测接收机以其出色的监测能力和高速的扫描性能，必将取代传统的模拟接收机成为主要的无线电监测设备。掌握其基本原理和主要性能指标，对于正确评估接收机的性能以及准确地进行无线电监测具有重要的意义。1数字监测接收机的基本原理与模拟接收机相比，数字监测接收机在结构上的主要特点在于对中频信号进行数字化处理，通过数字信号处理算法实现频谱显示、信号测量和解调功能。数字监测接收机的基本结构如图1所示。图1数字监测接收机的基本结构图射频信号经过二次变频得到一个宽带的模拟中频信号。中频信号经过A/D采样转换成数字信号后送往FPGA进行数字下变频器（DDC）和速率变换处理。FPGA处理后将生成至少两路IQ基带信号，一路经复数FFT运算后输出中频频谱；另一路送往DSP进行信号测量和数字解调。对中频信号采样并变换成所需带宽的IQ基带信号的过程，是数字监测接收机的关键步骤。图2是采样、数字下变频和速率变换的原理图。我们结合SystemView仿真软件的系统图对该部分的原理进行分析和仿真，如图3所示。SystemView的定时参数设置为系统采样率400MHz、采样数量32768点，给出的频谱均加了Blackman窗函数。图2采样、数字下变频和速率变换示意图图3采样、数字下变频和速率变换的SystemView系统图这里以热噪声和10个等间隔的单载波信号表示中心频率为fIF2=75MHz、带宽BIF=20MHz的宽带中频信号，频谱如图4所示。宽带中频信号送往A/D转换器进行带通采样。采样速率由带通采样定理决定。根据带通采样定理，采样速率只有同时满足以下两个条件才能保证采样后的频谱不发生混叠：fs=2BIF（1），fs=4f0/(2n+1)（2）。公式（2）中，n为整数0，1，2，…；f0为中频信号中心频率。如果fIF2=75MHz、BIF=20MHz，可知fs取值为60MHz、100MHz、300MHz；考虑后续速率变换处理的方便和实际的可行性，这里选择100MHz作为采样频率。采样数字监测接收机的主要性能指标分析■广东省广州市无线电监测计算站黄光星摘要结合数字监测接收机的基本工作原理，对接收机的主要指标进行分析，指出其与模拟接收机对应指标的差别，并给出了测试方法。关键词：数字监测接收机数字下变频动态范围SystemView监测检测Monitoring&Detection57中国无线电2010年第3期得到的数据速率为100MSPS，中频频谱被搬移到f1=fs-fIF2=25MHz的位置，仿真结果如图5所示。把采样数据变换成IQ基带信号的过程称为数字下变频。中心频率在25MHz的采样数据同时输入两个数字乘法器，分别与数字本振产生的25MHz正交信号混频。混频后产生两路相位正交的信号。如果把这两路信号分别作为实部和虚部进行复数FFT运算，将得到混频后IQ信号的复数频谱，如图6所示。混频后中频频谱被搬移到f1-fLO3=0Hz和f1+fLO3=50MHz位置。数字下变频后，I和Q信号的速率都是100MSPS，表示的复数频谱为[-50MHz,50MHz]，实际只有其中的[-10MHz,10MHz]是有用频谱。为了减轻后续电路处理负担，我们需要在保证中频频谱数据不丢失的前提下进行速率变换。这里进行的是4∶1抽取运算，即是数据序列中每4个数据保留1个，其他数据被丢弃。数据的速率降为原来的1/4，即25MSPS。经复数FFT运算得到的频谱范围从原来的[-50MHz,50MHz]变换为[-12.5MHz,12.5MHz]。值得注意的是，抽取运算并没有滤波功能，原有的高频成分不会消失，而是混叠到抽取后的带宽内。因此要在抽取前用高选择性的低通滤波器滤除高频成分，以避免频谱混叠形成杂散信号。同样为了避免滤波器过渡带的信号混叠到有用频谱中，最终输出的基带信号的带宽与有效的频谱带宽的比值不能小于滤波器的形状因子K。将基带信号带宽记为BIQ，则一般情况下有BIQ=K×BIF。经4∶1抽取运算后的最终输出IQ基带信号的复数FFT频谱如图7所示，表示的带宽为25MHz。中间平坦部分的频谱为[-10MHz,10MHz]。图4输入信号频谱图5采样后的频谱图6混频后的复数频谱图7滤波和抽取后IQ基带信号的频谱同样原理，对数字下变频后的基带信号进行多级滤波和抽取运算即可得到数字解调和信号测量所需的窄带IQ信号。2数字监测接收机的主要性能指标分析从数字监测接收机的工作原理可以看出中频数字化处理部分直接影响整个接收机的性能。我们衡量一台数字监测接收机的性能应从整体上进行测试和评价，不能仅通过对模拟中频信号测试来判断。2.1频率准确度和RBW频率准确度由参考源准确度和RBW决定，并且受显示分辨率影响。数字监测接收机的RBW由基带信号带宽BIQ和FFT运算长度决定,RBW=BIQ/（FFT运算长度）。例如上文仿真例子中，进行复数FFT运算的基带信号带宽为25MHz，进行2048点复数FFT运算，则RBW=25MHz/2048=12.2kHz。接收机对RBW的处理主要分两种方式：一种是固定RBW方式，RBW可以按照25kHz、12.5kHz等固定值进行选择，这种方式下FFT运算的长度将随RBW的值变化；另一种是FFT运算的长度固定，RBW由进行FFT运算的基带信号带宽决定。频率准确度测试方法：输入单载波信号，测量接收机在不同RBW条件下各典型频点的频率误差。精度要求较高时先用计数器对信号源频率进行校正。2.2电平准确度数字监测接收机需要电平校正的环节较多，并且由于中频带宽较宽很难保证频谱的平坦度。如果没有完善的电平校正，则在不同参数下测量会出现较大误差。单频点测试方法：输入单载波信号，测量接收机在不同RBW下各典型频点的电平测量误差。输入电平应涵盖接收机的灵敏度到1dB压缩点范围。频段电平准确度：信号源产生一个固定电平的扫频信号，例如从500MHz到600MHz，观察接收机数字扫描时最大保持曲线的波动情况。一般要求波动不超过±2dB。监测检测Monitoring&Detection58中国无线电2010年第3期2.3噪声系数宽带数字监测接收机的噪声系数除了受模拟前端的影响，还受中频放大器链和A/D转换器影响，应通过测量接收机显示的噪声电平来计算。接收机噪声电平由公式（3）给出：UN=-174+10log(RBW)+NF+W（3）。公式（3）中，NF为噪声系数，W为检波器典型的加权因子：均值检波时0dB，r.m.s检波1.1dB，准峰值7dB，峰值11dB。例如：在500MHz频率上，接收机中频带宽4MHz，滤波器形状因子K=1.25，4096点FFT运算时，RBW=4000×1.25/4096=1.22kHz。均值滤波下中频频谱显示的噪声电平为-130dBm，通过公式（3）计算出接收机在该频点噪声系数为13dB。如果接收机具有噪声测量（MarkNoise）功能，可直接读出单位为dBm/Hz的噪声密度，与-174dBm/Hz的差值即为当前状态下的系统噪声系数。2.4灵敏度接收机的灵敏度由底噪决定，数字监测接收机的底噪通常比模拟监测接收机要低，但通常这只是由于RBW较小的缘故，并不直接代表较高的灵敏度。灵敏度的表示一般有两种，分别是10dB信噪比下的检测灵敏度和规定信纳比下的解调灵敏度。一般情况，信噪比灵敏度较为直观。信噪比灵敏度可以由噪声电平和信道带宽CHBW换算得到：S10dB=UN+10dB+10log（CHBW/RBW）（4）。例如，在500MHz频率上，接收机中频带宽4MHz、RBW=1.22kHz时系统噪声电平为-130dBm，通过公式（4）计算出该频点的10dB检测灵敏度为-116dBm@3kHz或-107dBm@25kHz。2.5相位噪声数字监测接收机的相位噪声除了受本振性能影响外，还受滤波器性能和FFT运算窗函数特性的影响。数字部分如果处理不好，将产生严重的邻道泄漏。由于数字信号处理过程产生的频谱泄漏范围较宽，所以不应像模拟接收机测试那样只测试10kHz处的相位噪声。测量方法：在接收机线性范围内，输入尽量大的单载波信号。用MarkNoise功能测量偏离中心频率3kHz、10kHz、50kHz、100kHz处的相对噪声密度,单位dBc/Hz。如果没有MarkNoise功能则要根据测得的电平值通过RBW换算出噪声密度电平。2.6动态范围接收机动态范围包括1dB压缩点动态范围和无杂散动态范围(SFDR)。数字监测接收机工作在信道模式时动态范围由1dB压缩点动态范围决定。工作在宽带模式下则应由无杂散动态范围决定。A/D的位数、A/D的虚假响应还有中频放大器链的性能都会影响整机的动态范围。目前器件水平下整个接收机的SFDR主要受A/D限制。例如，14bit/s的A/D的最大动态范围为20log(214)=84dB，而SFDR要小于最大动态范围。数字监测接收机整机的动态范围不能用模拟中频测得的动态范围表示，而是通过对整机进行测量得出。通常合理匹配的情况下，整机的动态范围比模拟前端的动态范围要低数dB。1dB压缩点动态范围测试方法：AGC开启，从噪声电平开始加大输入信号电平，直至输出显示电平出现1dB压缩，两者的差值称为1dB压缩点动态范围。表征接收机在AGC控制下检测信号的最大范围。AGC关闭，重复上述测试。得到的结果表征接收机A/D检测信号的最大范围。SFDR测量方法：如图8所示，SFDR表征接收机能真实检测信号的电平范围。杂散响应可能是无规则的杂散，也可能是输入信号的二阶、三阶或更高阶互调产物。通常占主导地位的是二阶和三阶互调产物。这时当互调产物等于底噪电平UN时，SFDR达到最大值。因此可以根据IP2、IP3和底噪电平计算SFDR。图8无杂散动态范围示意图监测检测Monitoring&Detection59中国无线电2010年第3期在最大中频带宽下，先分别测得整机的IP2和IP3。然后根据公式（5）、（6）计算出二阶互调和三阶互调下的SFDR。SFDRIP2=(IP2-UN）（5）。SFDRIP3=(IP3-UN)（6）。两者中较低值代表整机的SFDR。例如，某数字监测接收机在500MHz频率、RBW=25kHz情况下UN=-125dBm，IP2=40dBm，IP3=10dBm。计算得到SFDRIP2=82.5dBm，SFDRIP3=90dBm。2.7扫描速度数字监测接收机一般有两种扫描模式：中频全景扫描和调谐式信道扫描。中频全景测试方法：接收机扫描范围Span设置尽量宽，设置合适的RBW，启动扫描过程，利用信号瀑布图观测重复扫描的时间间隔t。扫描速度=SPAN/t（单位：GHz/s）。信道扫描测量方法：以25kHz间隔扫描合适宽的频段，利用秒表计算重复的时间t。信道扫描速度=Span/(25kHz·t)，单位：chs/s。2.8AGC性能数字监测接收机要同时控制射频衰减和中频增益来保证各级混频器、放大器和A/D不过载。要获得良好的AGC性能，就要对各级电路进行良好的匹配设计并结合优秀的控制算法。测试方法：接收机AGC开启的情况下，从灵敏度开始加大输入信号电平一直到最大允许输入电平。AGC应能自动调节不会出现过载情况。之后降低输入信号电平，直到接收机灵敏度，AGC也要能正常工作。2.9接收机杂散除了互调产物外，A/D量化噪声、采样间隔抖动以及FFT运算等都会产生数字监测接收机特有杂散。如果接收机杂散较多，则会产生许多虚假的监测结果。测量方法：接收机输入端口接50Ω匹配负载，记录全频段扫描时的杂散数量和最大杂散电平。3总结本文结合了数字监测接收机的基本原理对接收机的主要指标进行了分析。但在实际工作中由于各厂家有自己的具体实现方法，给出的参数也各有侧重点，我们很难对数字监测接收机的性能进行统一的评价。本文结合对十几款国内外的数字监测接收机进行比对测试的经验分