无线电监测接收机测试方法研究

2018-12-13刘新浩

数字通信世界 2018年11期

赵越，刘新浩

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

1 引言

2018年1月1 日，工业和信息化部制定并发布的《无线电监测设施测试验证工作规定（试行）》（以下简称《规定》）正式实施。《规定》要求各无线电监测设施使用单位对新建无线电监测设施在投入使用前进行测试验证，确保无线电监测设施在使用过程中持续满足相关技术指标要求，进一步提高无线电监测设施日常工作的稳定性、有效性和准确性。无线电监测接收机作为一种重要的无线电监测设施，对其技术指标进行测试验证势在必行。本文对监测接收机几个主要指标的原理和测试方法进行了分析和介绍，为开展监测接收机测试验证工作提供技术指导。

2 灵敏度

接收机灵敏度定义为接收机输入端口可监测或可解调的最小信号电平值。

2.1 监测灵敏度

监测灵敏度计算公式如下：

式中，Psens为灵敏度；-174dBm为1Hz分辨率下的基本噪底；NF为噪声系数；RBW为分辨率带宽；S/N为信噪比。

接收机工作模式和测试频率直接影响其噪声系数的大小。常见的工作模式有低噪声、常规和低失真等，不同的工作模式适用于不同的工作场景（例如，监测小信号时使用低噪声模式，监测大信号时使用低失真模式）。一般说来，低噪声模式噪声系数最小增益最大，低失真模式噪声系数最大增益最小，常规模式介于二者之间。测试频率应覆盖接收机的全频段，至少应包含最低和最高频率，通式中，Psens为灵敏度；-174dBm为1Hz分辨率下的基本噪底；NF为噪声系数；RBW为分辨率带宽；S/N为信噪比。

分辨率带宽越大，灵敏度越差，分辨率带宽每增大10倍，灵敏度数值将增大10dB。为了统一标准，便于比较，国标GB/T32401-2015对监测灵敏度测试的分辨率带宽和信噪比做出了明确规定：分辨率带宽为25kHz，信噪比为10dB。

测试方法

按图1所示连接设备，逐渐减小信号源输出电平，直到接收机上显示的信噪比达到标准规定值。

图1

测试步骤如下：

a）设置无线电监测接收机的工作模式，自动频率控制（AFC）关闭，按照标准要求设置分辨率带宽，中心频率设置为测试频率fS；b）设置信号源频率为测试频率fS，设置信号源输出标准的连续波（CW）信号；c）调整信号源输出电平大小，使得无线电监测接收机显示的信号高出底噪稳定在10dB，记录下此时接收机输入端口的输入电平，此电平即为接收机监测灵敏度；d）根据测试要求，改变测试频率fS，重复b）～c）的测试过程；e）改变接收机的工作模式，重复a）～d）的测试过程。

2.2 解调灵敏度

解调灵敏度是指无线电监测接收机在规定的条件下，其音频输出信号达到标准信纳比时所需的输入信号电平。

影响解调灵敏度的参数包括：噪声系数和增益；调制（包括调制方式、调制频率、AM调制深度、FM调制频偏等）；测试频率；解调带宽；标准规定的信纳比。

测试方法

按图2所示连接设备，逐渐减小信号源输出电平，直到音频分析仪所测SINAD达到标准规定值。

图2

调幅解调灵敏度测试步骤如下：

a）设置无线电监测接收机的工作模式，解调方式为调幅（AM）解调，自动频率控制（AFC）关闭，解调带宽设置为6kHz，如果被测设备不具备6kHz 的解调带宽，则须在该设备大于6kHz的所有解调带宽中选择最小的，中心频率设置为测试频率fS；b）设置信号源频率为测试频率fS，设置信号源输出标准的调幅（AM）信号，调制频率1kHz、调制深度50%；c）开启音频分析仪SINAD测量功能，设置其滤波器为CCITT；d）调整接收机音频输出为额定音频输出功率，调整信号源输出电平大小，使得音频分析仪SINAD显示数值稳定在12dB，记录下此时接收机的输入电平，此电平即为接收机调幅解调灵敏度；e）根据测试要求，改变测试频率fS，重复b）～d）的测试过程；f）改变接收机的工作模式，重复a）～e）的测试过程。

调频解调灵敏度测试步骤如下：

a）设置无线电监测接收机的工作模式，解调方式为调频（FM）解调，自动频率控制（AFC）关闭，解调带宽设置为15kHz，如果被测设备不具备15kHz的解调带宽，则须在该设备大于15kHz的所有解调带宽中选择最小的，中心频率设置为测试频率fS；b）设置信号源频率为测试频率fS，设置信号源输出标准的调频（FM）信号，调制频率1kHz、调制频偏5kHz；c）开启音频分析仪SINAD测量功能，设置其滤波器为CCITT；d）调整接收机音频输出为额定音频输出功率，调整信号源输出电平大小，使得音频分析仪SINAD显示数值稳定在20dB，记录下此时接收机的输入电平，此电平即为接收机调频解调灵敏度；e）根据测试要求，改变测试频率fS，重复b）～d）的测试过程；f）改变接收机的工作模式，重复a）～e）的测试过程。

3 二阶截断点（IP2）和三阶截断点（IP3）

监测接收机运行的环境中同时存在着强信号和弱信号。因此，接收机的一项重要特性就是在不失真的情况下处理这些信号的能力。此特性被称为接收机的线性特征，而量化线性特征的方式就是通过测量二阶截断点（IP2）和三阶截断点（IP3）的值。

尽管接收机的前端对IP2和IP3的影响最大，但在数字接收机的情况下，中频放大器的滤波器及其它放大器都会影响IP2和IP3。因此，在进行IP2和IP3测量时应考虑到所有这些因素。IP2和IP3的测量方法是在接收机输入端口输入两个强信号，然后测量接收机的响应。由于非线性的原因，会生成两个互调干扰信号，干扰信号的电平值即可用来衡量接收机的非线性程度。此外，接收机组件自身的线性特征以及测量出的IP2和IP3值，还取决于下述参数：两个输入信号的频率间隔与电平差；选择的测试频率。

3.1 互调产物的计算原理

图3

二阶互调产物的计算原理

如图3所示，在f1和f2（f1＜f2）处，相同功率（Pin）的两个测试信号输入到监测接收机的输入端。由于非线性的关系，在频率f3和f4处可能会出现两种互调产物：f3=f2–f1和f4=f2+f1

这些频率也可用Δf（频差）表示，Δf取决于标准的要求：

输入端的二阶互调产物计算公式如下：

式中，IP2为被测监测接收机输入端的二阶互调产物；Pin为两输入信号的功率（dBm）；αIM2为测试信号的电平与输入端最高互调产物电平之间的差（dB）。

三阶互调产物计算的原理

如图3所示，在f1和f2（f1＜f2）处，相同功率（Pin）的两个测试信号输入到监测接收机的输入端。由于非线性的关系，在频率f5和f6处可能会出现两种互调产物：f5=（2×f1）–f2和f6=（2×f2）–f1

这些频率也可用Δf（频差）表示，Δf取决于标准的要求：

输入端的三阶互调产物计算公式如下：

式中，IP3为被测监测接收机输入端的三阶互调产物；Pin为两输入信号的功率（dBm）；αIM3为测试信号的电平与输入端最高互调产物电平之间的差（dB）。

3.2 测试方法

按图4所示连接设备，测量二阶截断点和三阶截断点。

图4

二阶截断点

二阶截断点IP2=Pin+α，Pin为接收机输入干扰电平，用dBm为单位表示；α为接收机输入信号电平和二阶互调产物电平的差，用dB为单位表示；Δf为干扰信号的频率间隔，取3-7倍最大中频带宽，用MHz为单位表示。测试步骤如下：

a）设置无线电监测接收机的工作模式，自动增益控制（AGC）关闭，自动频率控制（AFC）关闭，分辨率带宽设置为25kHz，如果被测设备不具备带宽为25kHz的分辨率带宽，应在该设备大于25kHz的所有分辨率带宽中选择最小的；

b）设置接收机信号接收频率为测试频率，开启信号源1和2，设置二者频率分别为f1=f/2+Δf和f2=f/2-Δf，信号源输出信号类型为连续波，须保证信号源1和2输出电平相等；

c）调整信号源输出电平，使得无线电监测接收机显示器显示的二阶互调干扰信号稳定高于底噪10dB计算出输入信号电平和二阶互调产物电平的差α，取其中较小的值，并计算出IP2，用dBm为单位表示；

d）根据测试要求，改变测试频率，重复b）～c）的测试过程；

e）改变接收机的工作模式，重复a）～d）的测试过程。

三阶截断点

三阶截断点IP3=Pin+α/2，Pin为接收机输入干扰电平，用dBm为单位表示；α为接收机输入信号电平和三阶互调产物电平的差，用dB为单位表示；Δf为干扰信号的频率间隔，取10%最大中频带宽，用MHz为单位表示。测试步骤如下：

b）设置接收机信号接收频率为测试频率，开启信号源1和2，设置二者频率分别为f1=f+Δf和f2=f+2Δf，信号源输出信号类型为连续波，须保证信号源1和2输出电平相等；

c）调整信号源输出电平，使得无线电监测接收机显示器显示的三阶互调干扰信号稳定高于底噪10dB，计算出输入信号电平和三阶互调产物电平的差α，取其中较小的值，并计算出IP3，用dBm为单位表示；

d）根据测试要求，改变测试频率，重复b）～c）的测试过程；

e）改变接收机的工作模式，重复a）～d）的测试过程。

4 中频干扰抑制和镜频干扰抑制

现代接收机的射频前端大多采用超外差结构，运用外差原理，将输入信号与本地振荡器所产生的信号在混频器中进行混频。如图5所示，从天线接收到的信号首先经过预选器进行选择性滤波，之后由低噪声放大器对信号电平进行补偿，再进入混频器与本振信号进行混频，由中频滤波器选出所需信号，放大后输出。

图5

超外差式接收机存在镜像干扰（如图6所示），干扰信号是一种高于（或低于）有用信号两倍中频的寄生响应。镜像干扰频率与本振信号频率之间只相差一倍中频，如果进入混频器，会生成中频干扰信号，并与有用信号一同进入中频放大器。

图6

4.1 中频干扰抑制比测试方法

按图1所示连接方式连接测试设备，测试步骤如下：

b）设置无线电监测接收机信号接收频率为测试频率，开启信号源，设置其频率分别为被测无线电监测接收机的第一级中频f1stIF、第二级中频f2ndIF或第三级中频f3rdIF，信号发生器信号类型为连续波；

c）调整信号源输出电平，使得无线电监测接收机显示器显示的中频干扰信号稳定高于底噪10dB，计算出输入中频信号和输出信号电平的差，即为中频干扰抑制比；

d）根据测试要求，改变测试频率，重复b）～c）的测试过程。

4.2 镜频干扰抑制比测试方法

按图1所示连接方式连接测试设备，测试步骤如下：

b）设置无线电监测接收机信号接收频率为测试频率f，开启信号源，设置其频率分别为fin=f±2f1stIF，fin=f±2f2ndIF或fin=f±2f3rdIF的无线电监测接收机镜频频率，信号发生器输出信号类型为连续波；

c）调整信号源输出电平，使得无线电监测接收机显示器显示的镜频干扰信号稳定高于底噪10dB，计算出输入镜频信号和输出信号电平的差，即为镜频干扰抑制比；

d）根据测试要求，改变测试频率，重复b）～c）的测试过程。

5 频率误差与电平误差

频率误差是指无线电监测接收机测定的输入信号频率值与实际输入信号频率值之差。

电平误差是指无线电监测接收机测定的输入信号电平值与实际输入信号电平值之差。

测试方法

图7

按图7所示连接方式连接测试设备，测试步骤如下：

a）按照图7步骤一连接设备，根据选定的测试频率，设置信号发生器输出标准的连续波试验信号，调整信号源输出电平，使得接收机输入电平至少高于监测灵敏度30dB；

b）设置无线电监测接收机为固定频率监测模式，自动增益控制（AGC）打开，自动频率控制（AFC）关闭，分辨率带宽置最小；

c）设置接收机信号接收频率为测试频率，从接收机上读出此时接收到的信号的频率f1和功率P1；

d）按照图7步骤二连接设备，记录频率计的频率测量值f2和功率计的功率测量值P2；

e）计算频率误差Δf=|f1-f2|，功率误差ΔP=|P1-P2|；

f）根据测试要求，改变测试频率，重复a）～e）的测试过程。

6 扫描速度

扫描速度是指接收机在全景扫描模式下，按标准规定的扫描步进，单位时间内完成扫频搜索的频谱带宽。

测试方法一

按图1所示连接方式连接测试设备，测试步骤如下：

a）设置无线电监测接收机的工作模式为常规模式，打开全景扫描功能和瀑布图，按标准规定设置扫描步进；

b）设置扫描起始频率f1和终止频率f2，如果全频段扫描速度一致，则扫频范围须覆盖整个接收机工作频段；

c）设置信号源输出单个突发信号，其频率在接收机的工作频段内，调整信号电平和驻留时间，使其在无线电监测接收机上的显示信噪比大于30dB，且瀑布图上不间断显示信号的数量不少于20个；

d）调整驻留时间，直至找到满足步骤c）要求的最小驻留时间T0；

e）计算扫描速度V=（f2-f1）/T0。

测试方法二

图8

按图8所示连接方式连接测试设备，测试步骤如下：

a）设置无线电监测接收机的工作模式为常规模式，打开全景扫描功能，按标准规定设置扫描步进；

b）设置扫描起始频率f1和终止频率f2，如果全频段扫描速度一致，则扫频范围须覆盖整个接收机工作频段；

c）设置信号源输出标准的连续波试验信号，其频率在接收机的工作频段内，调整信号电平，使其在无线电监测接收机上的显示信噪比大于30dB；

e）设置频谱分析仪中心频率为接收机输出中频频率，打开时域分析功能，设置合适的扫描时长，测出中频频率的时间间隔T0；

e）计算扫描速度V=（f2-f1）/T0。

7 相位噪声

在复杂电磁环境下，接收机经过混频从强干扰信号中提取弱小有用信号的能力是非常重要的。

图9

由图9可以看出，本振相噪差时，混频后弱小信号被淹没，如果本振相噪好则信号就能显露出来，只需有一个好的窄带滤波器既可有效的滤出信号。如果本振相噪差，即使中频滤波器能够滤除强干扰信号，强干扰信号的噪声边带仍然淹没了有用信号，使接收机无法接收到弱小信号，尤其对大动态、高选择性的接收机，这种现象很明显。因此要使接收机具有良好的选择性和大动态，则接收机本振信号的相噪必须好。

中频相位噪声测试方法