干扰条件下接收机减敏机理分析

成伟兰，刘坚强，谌 丽

(1.91224部队，上海 200235;2.92956部队，辽宁 大连 116041)

干扰条件下接收机减敏机理分析

成伟兰1，刘坚强1，谌 丽2

(1.91224部队，上海 200235;2.92956部队，辽宁 大连 116041)

为了揭示干扰条件下接收机灵敏度下降机理，通过分析接收机对干扰的响应，建立了接收机输入输出模型和输出信噪比模型。分析结果表明，当干扰信号及有用信号在接收机线性范围内时，接收机输出信噪比随着干扰信号增大由基本不受影响至线性下降，可用输入信噪比、输入干噪比、接收机噪声系数、选择性来评估;当干扰信号及有用信号超出线性范围或满足倒易混频条件时，因非线性效应或倒易混频接收机输出信噪比迅速下降。因此，非线性效应并非是引起接收机减敏的惟一原因。试验验证了其结论的正确性，为分析干扰条件下接收机信噪比等性能指标的方法指出了方向和技术途径。

干扰;接收机;减敏;噪声系数;信噪比

为提高接收机的抗干扰性能，需要分析接收机减敏机理，以便评估干扰条件下接收机的性能，为接收机研制和使用提供技术依据。

1 接收机干扰类型及响应分析

按照接收机对干扰的响应及机理，存在以下几类干扰及响应:

1)输入输出一一对应的干扰

大多数情况下，接收机接收到1个干扰信号后，对应产生1个干扰输出信号，干扰的输入输出一一对应。此类干扰的电平通常较弱，根据干扰信号频率在接收机选择性曲线上的位置，可分为同频干扰、邻频信号干扰和带外干扰3种基本类型［2］(见图1)。

通常所称的寄生通道干扰也属于此类干扰。它只发生在特定的频点，镜频干扰和中频干扰是最强的寄生通道干扰［3］，其他寄生通道干扰工程上称为杂散频率干扰［4］。寄生通道干扰有可能分布于上述3个频率区间。

为评估方便，因倒易混频［4］输出的干扰也可归入此类。某些频点的带外强干扰信号与接收机本机振荡的噪声混频，发生倒易混频，此时接收机输出端不但存在与输入干扰信号对应的强干扰信号，而且输出的噪声功率密度大幅提高。

除此之外，根据接收机工作状态，还可能存在边带线性窜扰［4］等干扰。

2)使接收机产生非线性效应的干扰

此时接收机工作于非线性状态，产生非线性效应，输出的干扰信号个数多于输入的干扰信号数量。当接收机收到单个强干扰信号或强有用信号，可能发生阻塞，输出众多谐波干扰分量;当同时收到强干扰信号和有用信号后，将产生交调干扰;若同时收到2个强干扰信号，则将产生互调干扰，例如边带非线性窜扰。接收机的非线性效应主要由射频前端的放大器及混频器等非线性器件引起，例如放大器引起的谐波失真、交调失真、互调失真，混频器产生的交调失真、互调失真等［3］。

3)接收机固有干扰

所谓“固有干扰”，指此类干扰不是外部干扰引起的，也不随外部干扰及信号变化，主要包括干扰哨声、组合音、检波产生的惰性失真及负峰切割失真等接收机内部产生的干扰。接收机生产时将调试、控制固有干扰，因此检波失真控制在允许范围内，组合音仅在少数情况下出现或比较严重［3］。

4)自动增益误控

目前，大部分接收机采用自动增益控制技术提高接收机的动态范围及输出信号的稳定性。根据自动增益控制工作原理，在特定条件下当接收机收到强干扰信号后，将使自动增益控制电路误动作，发生自动增益误控［2］，降低对有用信号的增益。

2 干扰条件下接收机输出信噪比模型

2.1 干扰条件下接收机的输入输出模型

通过以上分析，可总结出干扰条件下接收机的输入输出模型，见图2。

图2中，PiD为接收机有用信号输入功率;PoD为接收机有用信号输出功率;PiJ为接收机干扰信号输入功率;PoJ为接收机与输入干扰信号一一对应的干扰信号输出功率，也适用于倒易混频输出的干扰;PiN为来自外部的输入噪声功率;PoN为外部输入噪声经接收机后的输出功率;PNL为接收机非线性效应产生的交互调干扰、谐波干扰等非线性产物输出功率;PNm为接收机倒易混频输出的噪声功率;PM为接收机固有干扰输出功率;PN为接收机内部噪声输出功率。单位均为W。

2.2 接收机输出信噪比模型

按照信噪比定义，接收机输出信噪比数学模型为:

式中:SNR为接收机输出信噪比，无量纲。

由此可知，在信号满足解调门限要求的前提下，影响接收机输出信噪比的主要因素是接收机有用信号输出功率，以及其他无用及噪声输出功率的相对大小。

1)有用信号输出功率PoD

有用信号输出功率PoD取决于有用信号输入功率及接收机增益。当接收机放大器工作于线性区时，接收机按照设定增益工作，有用信号得到放大;当信号或干扰的输入功率过大时，放大器进入非线性区，对有用信号的增益将急剧下降。实际放大器增益受增益控制电路控制，并且与输入信号(包括干扰信号)电平密切相关。接收机采用自动增益控制时，可扩大接收机放大器的线性动态范围。

2)干扰信号输出功率PoJ

当接收机工作于线性区时，对干扰信号的增益主要取决于放大器增益、选择性以及干扰信号的频率;当因输入信号过强使接收机的放大器工作于非线性区时，接收机对干扰信号的增益将下降。目前通常采用Volterra级数进行估计，关于这方面的研究很多［5－6］。发生倒易混频时，输出干扰信号功率取决于接收机外部输入干扰信号功率、接收机混频增益、接收机对外部输入干扰的增益等因素。

3)外部噪声输出功率PoN

通常假设天线噪声等外部噪声是加性高斯白噪声［7］，外部噪声经接收机后的输出功率主要决定于接收机的接收带宽和放大器增益。

4)接收机内部噪声输出功率PN

接收机内部噪声来源于接收机内元器件的热噪声和有源器件的散粒噪声，是接收机固有的，与外界输入信号和干扰无关。

5)非线性产物PNL

由上可知，当接收机输入信号较强、使接收机工作于非线性区时，接收机发生非线性效应，非线性产物不可忽略。同样非线性产物的幅度可用Volterra级数进行估计。

6)接收机固有干扰PM

干扰哨声的幅度主要由接收机的中频方案决定;组合音电平与内部各本振输出频率密切相关;检波失真幅度与接收机检波方式有关。它们的输出电平不随外部干扰及信号变化。

7)接收机倒易混频输出的噪声功率PNm

PNm主要取决于混频增益、接收机本振相噪特性、输入干扰信号功率、干扰与有用信号的频率间隔等因素。

3 接收机信噪比评估模型及减敏特性分析

根据上述分析可知，干扰条件下接收机输出信噪比可分为2种情况进行分析。

3.1 接收机工作于线性区

接收机工作于线性区的前提是:干扰信号及有用信号小于接收机1 dB压缩点;干扰信号的强度、频率等特性不符合倒易混频条件，接收机未发生倒易混频现象。

此时，有用信号输出功率PoD由输入功率PiD及接收机设定增益决定。非线性产物PNL可忽略不计。外部噪声输出功率PoN由外部输入噪声功率及接收机设定增益决定。PoJ由输入功率PiJ及接收机对干扰信号的增益决定。在接收机工作于线性区时，接收机对干扰信号与有用信号的增益间存在着明确关系。由于滤波器的作用它们之间存在相对增益差，可用选择性表征，而无需考虑是否采用自动增益控制。

因此接收机输出信噪比可用下式表示:

其中，PiD/PiN为有用信号输入信噪比，无量纲;PiJ/PiN为干扰信号的输入干噪比，无量纲;Gnom为接收机设定功率放大倍数，无量纲;CdB为接收机对干扰信号与有用信号的相对增益差，dB，即CdB=10lgGJ－10lgGnom;GJ为接收机对干扰信号的功率放大倍数，无量纲。

同时，根据接收机噪声系数NF定义［8］，有

式中:NF为接收机噪声系数，无量纲。

因此可得干扰条件下接收机信噪比的评估模型为:

可见，当干扰信号幅度足够大时，即使接收机未发生非线性效应，其输出信噪比也将随干扰信号输入功率增大线性下降。

根据式(4)可以评估存在干扰时接收机的信噪比。其中CdB是频率的函数，可以分成以下情况进行估计。

1)干扰为寄生通道干扰

对于寄生通道干扰，接收机相对增益差为

其中:f为干扰信号频率，Hz;SM为镜频干扰抑制比(也称镜频干扰抗拒比)，dB;fM为镜频，Hz;SIF为中频干扰抑制比(中频干扰抗拒比)，dB;fIF为中频，Hz;Sp为杂散频率抑制比，dB;fLO为本振，Hz。

2)干扰不属于寄生通道干扰

此时，根据图1，可分为以下3种情形进行讨论:

①干扰信号频率处于接收机通频带内

当干扰信号频率处于接收机通频带内时，干扰信号与有用信号一起得到放大，获得的增益是一样的，接收机对干扰与信号的相对增益差CdB为0，即

其中，fOR为接收机接收频率，Hz;BR6为接收机6 dB中频带宽，Hz。

②干扰信号频率处于邻近频带内

此时，接收机对干扰与信号的相对增益差CdB为:

其中:Δf为f与fOR之间的频率偏差，Hz;frL为邻频下限，Hz;frH为邻频上限，Hz;S(Δf)表示频率偏差为Δf时的总选择性值，dB，通常用6 dB中频带宽以及形状系数SF来估计。

根据形状系数SF的定义，假设邻近频带内的选择性为线性，可以估计出各邻近频点的选择性值，见下式:

其中:SF为形状系数，无量纲。

③干扰信号频率位于带外

接收机对干扰与信号的相对增益差为:

其中，SMAX为选择性最大值，dB。

3.2 接收机工作于非线性区或发生倒易混频

此时，接收机对有用信号增益下降，有用信号输出功率降低。同时由于非线性产物PNL或倒易混频输出的噪声功率PNm迅速增大，导致接收机信噪比急剧减小。

4 试验验证

为了验证分析结果，对某短波数字通信接收机进行了试验验证。采用功率合路器同时将干扰信号、有用信号耦合至接收机输入端。接收机采用人工增益控制模式，工作于上边带，6 dB带宽为2.7 kHz。无干扰信号时，有用信号的电平使接收机输出信噪比为34 dB。干扰信号频率偏离接收频率20 kHz，属于带外干扰。试验结果如图3所示，当接收机工作于线性范围内时，接收机输出信噪比由基本不受影响至随干扰信号功率增长线性下降，与分析结论一致。当干扰频率位于带内或邻近频带内时，试验结果曲线的趋势基本不变。

图3 干扰条件下接收机输出信噪比测量结果实例Fig.3 Output SNR measurements instance of the receiver under interference

5 结语

对于某一确定的干扰信号频率，无论带内还是带外，减敏机理及规律如下:当干扰信号及有用信号的功率在一定范围内、接收机工作于线性状态时，干扰信号等效提高了“噪声”功率，接收机输出信噪比可用输入信噪比、输入干噪比、接收机噪声系数、选择性来评估，其规律为由基本不受影响至随干扰信号功率增长线性下降;当干扰信号或有用信号过强从而使接收机工作于非线性状态时，非线性效应使信噪比急速下降，甚至接收机不能正常工作;当干扰信号满足倒易混频发生条件时，接收机输出噪声功率大幅提高，信噪比迅速下降。由此可见非线性效应并非是引起接收机减敏现象的惟一原因。

接收机线性范围主要由前端模拟放大器和混频器性能决定，过强的有用信号与干扰信号均会导致接收机工作于线性范围外。文献［9］分析了接收机非线性以及衡量非线性的指标及测试方法。实际上，针对不同用途的接收机相关标准提供了相应的测量方法。实际接收机的线性范围、输出信号功率、外部噪声输出功率与工作状态(例如自动增益控制或人工增益控制)有关。在评估干扰引起的接收机信噪比下降时，应考虑干扰的综合效应及接收机特点，并结合接收机工作状态、工作种类进行分析。

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Analysis of receiver desensitization mechanism in the presence of interference

CHENG Wei-lan1，LIU Jian-qiang1，SHEN-Li2
(1.No 91224 Unit of PLAN，Shanghai 200235，China;2.No 92956 Unit of PLAN，Dalian 116041，China)

With the responses of receivers to interferences analyzed，the input/output model and signal-to-noise ratio model of receivers were established in order to reveal the mechanism of receivers desensitization under interferences.The results show that the output SNRs of receivers are from influenced slightly decreased linearly with the increase of interferences while interferences and desired signals are within the linear ranges of receivers.In this case the output SNRs of receivers should be evaluated by input SNRs，input interference-to-noise ratios，noise figures and selectivities of receivers.The output SNRs of receivers deteriorate rapidly resulted from nonlinear effects or reciprocal mixing when interferences or desired signals are beyond the linear ranges or interferences meet the requirements of reciprocal mixing.It can be concluded that nonlinear effect is not the only reason for the desensitization of receivers.Test proved that the conclusion was correct.The result provides the guidance and the technical approach for analyzing the performances of receivers such as SNRs under interference.

electromagnetic interference;receivers;desensitization;noise figures;SNRs

成伟兰(1972－)，女，硕士研究生，高工，主要从事舰船装备电磁兼容性论证、试验和控制等工作。雷达检测概率及作用距离。

TN03;TN85

A

1672－7649(2012)03－0122－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.028

0 引言

随着信息技术的发展，接收机得到了广泛使用，如日常使用的无线宽带接收机和手机，军事领域应用的数据链和雷达等。由于各种发射设备的大量使用，接收机可能受到干扰。尤其是军事领域，舰船、飞机等武器平台内电子设备密集，电磁能量密度较大，并且装备的发射功率愈来愈大，频谱覆盖范围不断扩大，使接收机面临的电磁环境日益复杂。

实践表明，电磁干扰将使接收机发生减敏效应。所谓减敏，是指无用信号使接收机信噪比下降、灵敏度降低的现象［1］。减敏直接影响接收机的性能指标，例如降低通信接收机通话清晰度及通信质量和距离，增大无线数字通信系统的误码率和误组率，影响

2011－06－03;

2011－09－23