接收机射频前端噪声特性分析

王 勇，孙 彪，杨 俊

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



接收机射频前端噪声特性分析

王 勇，孙 彪，杨 俊

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

噪声是影响接收机灵敏度的重要因素之一。接收机引入的噪声越小，接收机灵敏度就越高。分析了接收机噪声，给出了射频前端噪声系数与接收机灵敏度的关系，论述了几种改善射频前端噪声系数的方法。

接收机；灵敏度；射频前端；噪声系数

0 引 言

电子战接收机的主要任务是截获并处理敌方的雷达信号，从而识别信号源并确定其位置。在电子战应用中，任何接收机的灵敏度都要受到从天线进来的外部噪声和射频前端产生的内部噪声的严重限制。如果没有噪声，那么无论目标信号如何微弱，只要充分加以放大，信号总是可以被检测出来的。然而由于噪声的存在，其与目标信号一起被放大或衰减，妨碍了对目标信号的辨别[1]。因此，对接收机射频前端的噪声进行研究分析，了解噪声的特性，有助于找出降低射频前端噪声的方法，从而提高电子战接收机的侦察灵敏度。

1 噪声概述

接收机噪声的来源主要有外部噪声和内部噪声，前者主要指由天线引入的噪声，后者主要指由接收机射频前端电路即放大器、混频器及电阻元器件等产生的噪声。外部噪声对接收机接收信号的干扰存在着时间性和空间性，因此很难精确确定。内部噪声则不具有以上特性，任何接收机只要一工作就有内部噪声产生，就会影响其对微弱信号的侦收[2]。实际上，在电子战应用中，外部噪声不可能被降低，因此降低射频前端电路产生的内部噪声就成了最关键的问题。目前，在接收机噪声的研究中主要以内部噪声的研究为主，而为衡量内部噪声，则引入了噪声系数的概念。

2 噪声系数与接收灵敏度的关系

图1是N级级联接收机系统框图。举例说明，图中第1级是射频放大器，第2级是混频器，第3级是中频放大器。在每一级都要将其输出信噪比与输入信噪比联系起来，这样就能确定系统总噪声电平。

噪声系数定义为系统输入端信噪比与输出端信噪比的比值。对于图1中的第N级，噪声系数FN定义为：

(1)

图1 N级级联接收机系统框图

噪声系数的值越大，则说明信号传输过程中引入的噪声恶化越严重。对于N级级联接收机系统而言，当知道各个单元的噪声系数后，就可求出级联后的总噪声系数。式(2)为级联系统噪声系数的计算，设第1级的噪声系数为F1，增益为G1；第2级的噪声系数为F2，增益为G2；第3级的噪声系数为F3，增益为G3；依次类推，则级联后的系统噪声系数F0为：

(2)

接收灵敏度定义为接收机将目标信号从背景噪声中分辨出来所需要的最小输入信号功率。接收机射频前端电路放大增益足够高，因此接收灵敏度计算公式如下(单位为dBm)：

(3)

式中:-114为室温下1 MHz带宽内的热噪声地板;F0为接收机的噪声系数;BR和BV分别为射频与视频带宽，以MHz为单位，且BR≥2BV。

由式(3)可知，在特定的射频与视频带宽下，噪声系数越大，则接收机的灵敏度越低。

3 降低射频前端噪声系数的措施

射频前端种类较多，一般均需进行变频处理，图2为其等效模型。整个射频前端被等效为放大器、滤波器及混频器3个部分，其中放大器为等效电路中的有源器件部分，滤波器及混频器为等效电路中的无源器件部分。假设放大器的增益为GA，噪声系数为FA，滤波器的插入损耗为L，混频器的变频损耗为LM，噪声系数为FM。

图2 射频前端等效模型

3.1 第1级放大器前端无源器件对噪声系数的影响

无源器件在射频前端中是必不可少的，如滤波器、耦合器及连接电缆等等。无源器件在电路中位置的不同，其对射频前端噪声系数的影响也不同。如图2所示，放大器处于射频前端的第1级，其后滤波器对噪声系数的影响可以忽略，这种电路形式是最常见的。然而在有些系统中需要在放大器前面增加滤波器或耦合器等无源器件，因此如何量化无源器件对噪声系数的影响尤为关键。

假设无源器件的插入损耗为L，则当放大器位于前级时，两者级联后的噪声系数F1为：

(4)

而当无源器件位于前级时，两者级联后的噪声系数F2为：

(5)

正常情况下GA≫L，则F1≈FA，此时F1

3.2 混频器对噪声系数的影响

混频器和本振信号线性地把输入频率变换成新的频率，即中频频率(IF)。若IF低于原来的射频频率，此过程就为下变频；反之，为上变频。记本振信号频率为fLO，输入信号为fRF，用式(6)和式(7)分别表示本振电压和射频电压，此处假定fLO

VLO(t)=ALOcos(2πfLOt+θLO)

(6)

VRF(t)=ARFcos(2πfRFt+θRF)

(7)

则这2个信号相乘后得到上边带频率(fRF+fLO)和下边带频率(fRF-fLO)，中频电压为：

(8)

混频器的噪声系数有2种定义，单边带噪声系数(FSSB)和双边带噪声系数(FDSB)。在实际测量中，噪声发生器输出的是宽带噪声，如果不加滤波器直接输入到混频器的输入端，在镜像频率存在的情况下，此时测量的噪声系数为FDSB；如果加入适当的滤波器，只对目标信号进行测量，则此时测量的噪声系数为FSSB。如果混频器在目标信号频率和镜像频率处传输特性基本一致，则FDSB将比FSSB大约低3 dB[3]。为减少虚假信号，大多数电子战接收机在混频器前都有预选滤波器，故实际工作中FSSB更能反映混频器的真实噪声系数。

一般来说，混频器的噪声系数等于或稍高于(约0.5 dB)变频损耗。以图2为例，根据式(2)计算射频前端等效模型的噪声系数，以求定量地分析混频器的噪声系数对接收机噪声系数的影响，则有：

(9)

由式(9)可知，为了满足F0≈FA，需要GA≫LFM-1，这个结论将对接收机射频前端的链路增益设计提供理论依据。

3.3 链路增益分配对噪声系数的影响

一般电子战接收机中都有高频宽带放大器，而且高频宽带放大器的增益总是很大的，因而在考虑射频前端的总噪声系数时一般只考虑高频宽带放大器以前各级微波单元的噪声系数，而忽略其后各级微波单元的噪声对总噪声系数的影响。射频前端增益的大小可以根据接收机指标确定，再据此合理分配各功能单元的链路增益。由式(2)可知，第1级放大器的噪声系数应尽量小，同时尽量增加放大器的增益，此时射频前端的噪声系数近似等于第1级放大器的噪声系数。一般来说，结合式(9)的结论，第1级放大器的噪声系数设置为2.0 dB左右，增益设置为20 dB左右，这样可有效抑制混频器及无源器件引入的噪声恶化。

虽然第1级放大器能明显改善接收机的灵敏度，但它所提供的额外增益可能把某些器件驱入饱和，因而使接收机的动态范围变小，所以第1级放大器的增益也不能太大。由于低噪声系数、高增益及高动态范围等指标在同一只放大器中很难实现，因此第1级放大器倾向于低噪声系数及高增益指标，而后级中频放大器倾向于高动态范围指标。

综上，对链路增益进行合理分配，才能使得射频前端在噪声系数、增益及动态范围等方面都具备优良的性能。

4 结束语

噪声对电子战接收机的影响是不可避免的，但是了解其产生的原因和作用机理后，可以采取有效的电路设计方法来减小其对接收机灵敏度的影响。

[1] 羌琦,邓凤军.雷达接收机噪声特性研究分析[J].价值工程,2012,31(18):187-188.

[2] 张俊辉.接收机噪声系数对接收灵敏度影响[J].电子技术与软件工程,2013，10(20):53.

[3] 曹芸,邱新宇,鲁芳丽,张喜洋.正确测量混频器的噪声系数[J].中国仪器仪表，2013，8(2)：64-66.

Analysis of Noise Characteristics of RF Front-end in Receiver

WANG Yong,SUN Biao,YANG Jun

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Noise is one of the important factors to influence the receiver sensitivity.The smaller noise the receiver introduces,the better sensitivity it will have.This paper analyses the receiver noise,gives the relation between noise figure of radio frequency (RF) front-end and receiver sensitivity,discusses several methods to improve the noise figure of RF front-end in receiver.

receiver;sensitivity;radio frequency front-end;noise figure

2016-01-14

TN851

A

CN32-1413(2016)03-0083-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.021