谢天明，孙鹏飞，魏立研，董秀华

（1.广州维德科技有限公司，广州 510610；2.国家无线电监测中心哈尔滨监测站，哈尔滨 150010；3.黑龙江省工业和信息化厅伊春无线电管理处，哈尔滨 150010）

PDT警用数字集群通信系统覆盖了公安、消防、人防、森林防火以及应急调度等诸多应用，是应急通信保障的重要手段，比如在森林防火现场，如果消防员和指挥官因为通信设备接收灵敏度的原因沟通不畅，使得扑火现场的情况无法准确的传达，将会造成严重的人员和财产损失。又如在大型集会应急通信保障应用中，如果指挥官和安保人员沟通不畅，指挥官就无法把握现场的动态，从而对于各种突发事件无法做出正确的决定，造成不可估量的后果。所以在产品设计过程中，必须对各项指标严格进行把控。

PDT警用数字集群通信系统主要工作在V/U波段，这个波段通信的特点是“视距通信”，视距条件下，无线信号无遮挡地在发信端与接收端之间直线传播，这要求在第一菲涅尔区（First Fresnel zone）内没有对无线电波造成遮挡的物体，菲涅尔区的大小取决于无线电波的频率及收发信机间距离。如果有坚硬物体突入菲涅耳区内的信号通道时，锐边衍射就会使部分信号偏转，致使其到达接收天线的时间略微晚于直接信号。由于这些偏转的信号与直接信号有相位差，所以它们会降低其功率或者将其完全抵消。如果树木或其他“软”物体突入菲涅耳区，它们就会削弱通过的信号，降低其强度。简而言之，尽管事实上可以看到某一个位置，但这并不意味着就能够建立到该位置的优质无线电链路。

1 PDT接收机灵敏度指标及其测试

在通信过程中，衡量接收机系统的各项指标系统的指标主要有接收灵敏度、邻道选择性、共信道抑制、杂散响应抗扰性、阻塞、互调响应抗扰性等。其中，接收机灵敏度定义了接收机可以接收到的并仍能正常工作的最低信号强度。灵敏度指标对于基站信号覆盖范围的大小起到了至关重要的作用，反应了接收机接收微弱信号的能力。灵敏度指标过低，会使基站接收信号的失真度增大，导致通信质量变差、通信覆盖范围减小，实际应用过程中表现为基站收不到上行信号、终端设备脱网，或者话音恶化、断续、丢字甚至无法正常通信等结果，这在一些重要通信场合是不能容忍的。

接收机灵敏度指标分为静态灵敏度和动态灵敏度。静态灵敏度就是在规定的测试频率和调制方式下，当接收机误码率小于或者等于一定值（一般为5%）时，接收机天线端口的输入信号功率大小；动态灵敏度则是在规定的测试频率、调制方式和衰落环境下，当接收机误码率小于或者等于5%时，接收机天线端口的输入信号功率大小。在测量方法上，动态灵敏度比静态灵敏度增加了动态衰落模型。可见，静态灵敏度标示了接收机在理想环境条件下所能接收的最小信号强度，而动态灵敏度是在模拟了实际使用环境的条件下接收机所能接收的最小信号强度，动态灵敏度衰落模型配置如表所示：

表1 接收机静态与动态灵敏度

动态灵敏度更能接近反应接收机在实际使用时接收信号的能力，但是每种衰落模型都只是对现实环境中单一情况的模拟，有其固有的局限性。

本文基于硬件设计层面，主要针对静态灵敏度进行讨论。主要关注接收射频通路，先总结关于提高接收灵敏度的各种现有经验，再结合实际使用探讨关于接收机灵敏度指标的优化，寻求切实可行的解决路径。

2 如何提高接收机灵敏度

2.1 提高接收机灵敏度的通用方案

影响接收机灵敏度指标的因素很多，包括天馈线系统、接收机内部线缆布局、整机结构设计、射频模块本身的指标等，通常为了提高接收机的接收灵敏度指标，可以从以下三个方面来着手：

（1）降低接收机系统的本底噪声。这其实从电路及结构设计的阶段就开始了，贯穿于整个系统设计生产和安装过程中。比如：结构上做好各单元电路的屏蔽，尤其是接收前端LNA电路屏蔽，确保与系统的其他电路完全隔离；射频电路使用高性能指标的LDO电源供电，并做好电源滤波；LNA电路合理布局，做好输入输出匹配，信号参考层保持完整，避免在LNA电路下方走其他信号线和电源线；采用高稳定度的本振电路，保证相位噪声足够小；接收机前端采用低插损、高抑制度指标的滤波器；采用共增益天线也会起到降低底噪的效果，天线的摆放位置需要合理选点等。

（2）提高接收信噪比。为了提高接收机的信噪比，还是先要降低接收机本身的噪声，然后合理放大有用信号。如何接收机本身的噪声前面已经提到，在对接收到的小信号放大过程中，LNA需要尽量选择噪声系数小的放大器，并且进行合理匹配，保证最优的稳定性系数、噪声系数和增益。以此来达到理想的接收信噪比。

（3）减小接收信号带宽。理论上，接收信号带宽增大一倍，接收灵敏度就会恶化3dB，因此减小接收信号带宽对于提高接收灵敏度具有非常显著的作用。

2.2 PDT接收机灵敏度指标分析

PDT系统属于窄带无线通信系统，采用TDMA（2时隙）方式，信号带宽12.5kHz，4FSK调制，调制速率9.6kb/s。对于这样特定的系统，接收信号带宽是固定的，要想提高接收灵敏度，在硬件方面只能从降低系统的底噪和提高接收信噪比上想办法。如图1所示：

图1 PDT接收机系统结构框图

天线接收到信号经过滤波器处理后送给LNA电路放大并滤波，然后通过混频得到中频信号，再进行窄带滤波并放大后送给AD9864进行数字化处理。

由于中频数字化芯片AD9864的接收灵敏度是-108dBm，要想使整机接收灵敏度达到-122dBm，解调信噪比按6dB计算，理论上前端总增益有20dB就足够了，实际上由于系统噪声以及各单元电路之间接口匹配的原因，前端总增益需要比理论值高。但是接收前端的增益过高的话又会影响到接收互调响应抗扰性和接收杂散响应抗扰性等指标，导致接收机的性能下降，因此，需要合理分配各个接收单元电路的增益。

在接收总增益确定的情况下，为了提高接收灵敏度，在硬件方面就是需要尽量降低系统噪声，提高接收信噪比。下面按照这个思路对接收通路中的各个射频单元设计分别进行讨论。首先，对接收机系统的电路架构和器件参数进行仿真：

图2 接收机系统各部件仿真结果

下面，根据图2的系统仿真结果结合实际应用测试，对每个单元电路分别进行讨论：

（1）Stage 1：接收前端滤波器

前端滤波器的作用是频带选择，滤除带外干扰，减小进入LNA电路的噪声。它最主要的指标包括品质因数（Q）和插入损耗（IL）。Q值决定了滤波器的选择性，IL是指在通带内信号被滤波器的衰减，对系统灵敏度有着最直接的影响，改变这个滤波器的IL指标，灵敏度会相应随之改变。插入损耗有1dB，则信号功率被衰减20%；当插入损耗到达3dB时，则信号功率被衰减50%。其中，插入损耗指标直接影响着接收系统的灵敏度，因为IL直接增大了系统噪声，这是后面的电路无法弥补回来的，IL每增加1dB，灵敏度就会响应减小1dB，因此，要求插入损耗指标越小越好，实际使用中不超过2dB。

（2）Stage 2：低噪声放大器（LNA）

低噪声放大器的作用是提高有用信号的幅度，以便正确解调。在设计过程中，通常采用低噪声系数的器件、增加屏蔽、加强散热减小热噪声等办法，尽量减小噪声系数。

LNA的噪声系数会直接叠加在接收机上，产品设计中，很少孤立的设计LNA，相反，要将射频链路看作一个整体来设计，在一些特殊的应用场合中采用超导体滤波器+LNA放大器，最大程度的降低接收机噪声，可以将灵敏度提高4-6dB。

LNA的增益必须足够大，以期能减少后级电路噪声对总噪声系数的影响，尤其是当后级是下变频混频器时。但是一味的追求提高增益会使后级的非线性更加显著。因此，当提升放大器的增益时需要在噪声系数和接收机的线性度之间进行折中。图3和图4分别显示了提高前端低噪声放大器LNA的增益对于灵敏度和三阶互调IP3指标的影响，其中，横坐标为放大器增益Gain。由图可见，提高低噪声放大器LNA电路的增益会使灵敏度得到改善，但是并不能无限的增大灵敏度，通常选择放大器增益Gain=20dB就够用了，并且LNA增益提高的同时会带来噪声系数和三阶互调等指标的恶化，影响接收机性能。

图3 提高LNA的增益对于灵敏度的影响

图4 提高LNA的增益对于IP3指标的影响

（3）Stage 3：LNA后端滤波器

该滤波器的作用是滤除本振信号，减小混频电路对LNA的影响，这个滤波器的噪声系数/插入损耗指标对系统灵敏度影响不大。

（4）Stage 4：未使用

（5）Stage 5：混频器

采用MINI公司的无源混频器SYM-25DHW+，其插入损耗约6dB，混频电路对于系统噪声的影响基本上取决于本振信号的相位噪声指标；本振电路是接收机系统中的核心电路，其稳定性和相位噪声等指标直接决定了接收机性能的优劣，前面的射频通路分析都是基于理想本振信号做出的。

（6）Stage 6：中频滤波器

中频滤波器的主要作用是提高邻道抗扰性指标，它的插入损耗选指标会增大系统的噪声系数，对接收灵敏度有影响，但是可以通过增大前端LNA的增益进行补偿，因此，需要选用高稳定度的石英晶体滤波器，具有带外抑制高（60dB以上），矩形系数好，频率稳定稳定性好等优点，达到邻道隔离、去除干扰的效果。

（7）Stage 7：中频放大电路

中频放大电路的作用主要是提高接收信号的幅度，以达到AD9864的接收范围，由仿真和测试可见，它对灵敏度指标基本上没有帮助，但是要注意尽量避免电路引入干扰，减小噪声系数。

通过以上的仿真分析和实际测试可见，对于如何提高接收机灵敏度，需要对接收机系统做一个综合的考量，涉及到设备的体积大小、使用环境、成本因素等。

2.3 PDT接收机灵敏度指标优化方案

在接收射频通路中，低噪声放大器前端的滤波器指标对接收灵敏度的影响非常关键，另外，就是在保证接收增益足够的情况下，要尽量减小低噪声放大器的噪声系数。同时，需要合理分配各级电路的工作范围，使信号达到稳定接收的效果。

2.3.1 合理选取前端滤波器

接收前端滤波器具有选频的作用，其插入损耗（IL）指标对接收灵敏度有直接的影响，接收灵敏度会随着插入损耗增加而降低，因此，这个滤波器必须是低插入损耗的，另外，还要求带外抑制水平要足够高，这样才能去除带外干扰，使接收信号变的“干净”。

通常在接收射频前端使用的滤波器有矩形腔体滤波器、圆筒腔体滤波器和声表（SAW）滤波器等，每种滤波器的波形如图5-图8所示：

图5 圆筒腔体单点滤波器波形

图6 矩形腔体单点滤波器波形

图7 矩形腔体带通滤波器波形

图8 声表带通滤波器波形

由图可见：圆筒腔体单点滤波器的带宽可以做到很窄，并且带内插入损耗非常小，缺点是体积太大，并且带外抑制度不够理想；矩形腔体单点滤波器则可以实现很好的带外抑制度，缺点也是体积较大，在空间较宽裕并且频率固定的使用环境中，使用这种滤波器是最理想的；矩形腔体带通滤波器的带内插入损耗和带外抑制度指标都做的非常好，非常适合于在基站中使用；声表带通滤波器的矩形系数是做的最好的，插入损耗指标和可以做到很低，但是带外抑制度还是不如腔体滤波器好，尤其是在远端，抑制度很差，其优点在于体积小，可以直接放在印制板电路上面，不占用外部空间，实际测试对比，使用腔体滤波器接收机的底噪，通常会比使用声表滤波器接收机的底噪降低3-5dB。现有的警用数字集群（PDT）通信系统的基站信道机，接收频带是351MHz-356MHz，发射频带361MHz-366MHz，接收前端滤波器采用矩形腔体滤波器，通带范围带外抑制可以达到80dB。

2.3.2 优化低噪声放大器

低噪声放大器处于接收机系统前端，它的主要作用放大系统接收到的微弱信号，降低噪声干扰，提高接收信号灵敏度，以供系统解调出所需的信息数据，其噪声、线性和匹配等性能好坏直接影响到整个接收系统的性能。噪声系数（NF）作为LNA的主要技术指标，在设计之初就要首先考虑对其进行优化。

噪声系数定义为输入信噪比与输出信噪比的比值，即

用分贝数表示为：NF（dB） = 10lg（NF）

低噪声放大器的输入端需要按照噪声最佳来匹配设计，噪声最佳点并非增益最大点，因此增益G会下降。噪声匹配情况下的增益称为相关增益，通常，相关增益比最大增益低2-4dB。

为了优化低噪声放大器电路，需要从电路设计时就要考虑到降低噪声影响。首先在原理图设计时除了选用低噪声系数的放大器芯片之外，还要选用低纹波的LDO电源供电，并且做好电源的扼流匹配以及放大器前后的阻抗匹配。在此，低噪声放大器的核心器件是采用NXP公司的晶体管BFU760F设计，BFU760F是一款高增益、宽动态范围、低噪声的NPN宽带硅锗RF晶体管，只需要一个正的电压偏置，器件体积小，电路集成度高。根据器件性能，在漏电流IDS为60 mA时能得到最高的三阶截取点（IP3）和最低噪声系数（NF），在漏电压VDS为3 V时，有较高的增益。电源芯片选用LINEAR公司的LT3045F，它的最大特点就是超低纹波（0.8uV），具有较宽的输入范围，可以稳定输出500mA的电流，非常适合作为射频接收电路的供电电源。同时，在PCB设计时，需要保留一层完整的地平面，LNA电路下方避免走信号线等，最大程度减小噪声干扰。

3 结束语

接收机灵敏度跟很多因素有关，如系统天线的增益、阻抗匹配，软件算法优化解调信噪比等。灵敏度一般来说越高（数值越低），说明其接收微弱信号的能力越强，但也带来容易被干扰的问题，通常对于基站来说，接收灵敏度指标需要与发射覆盖范围综合考虑，只要能满足使用要求即可，过高的追求接收灵敏度不仅加大设计难度，还会提高设备的成本。在硬件设计层面，首先要考虑的就是压低接收机的本底噪声，然后提高有用信号的幅度，以此提高接收信噪比，达到提高接收灵敏度的效果。这个思想应该贯穿于接收射频通路中各个电路单元的设计之中。