现代电子战接收机灵敏度研究*

2021-08-18李庆浩林逸群

山西电子技术 2021年4期

李庆浩，程明，林逸群

(江南电子通信研究所，浙江嘉兴 314033)

0 引言

随着现代电子战系统的任务使命越来越多，涉及雷抗、通抗、数据链、敌我识别、GPS、测控、卫通等多方面，而这些目标信号特征和电磁环境有所不同(比如工作频率、瞬时信号带宽、信号特征、信号强弱、信号多寡等)，各具有其特点，这就决定了对灵敏度、动态范围的要求、侧重点、理解和测试方法各不相同[1,2]。在实际工作中，我们常常把灵敏度分为侦察灵敏度、侦收灵敏度；把动态范围分为线性动态范围、无杂散虚假响应动态范围(SFDR)、瞬时动态范围等[3]。在一般情况下，动态范围和灵敏度是一对相互依存、相互制约的指标，对于同一系统，在不同的工作模式下，灵敏度和动态范围也会有较大差别。为了具有适应复杂电磁环境的能力，现代电子战接收机中，往往都预留一些放大/直通/数控衰减等控制设置(对应高灵敏度档、常规档、大动态档)；在实际应用中，可以根据目标外界信号和电磁环境不同，接收机可以灵活改变参数设置，有意提高灵敏度(动态降低)，或有意提高动态范围(灵敏度降低)，以达到更好的侦收目的，因此研究电子战接收机的灵敏度非常有必要[4]。

1 灵敏度的含义

灵敏度是指设备接收微弱信号的能力，这种能力常与许多因素相关，因此一台接收机常有不同的灵敏度指标[5]。对于电子战综合软件无线电接收机而言，在实际工作中，我们常将灵敏度区分为两个：一个是侦察灵敏度(检测灵敏度)，即接收机能检测出信号存在的最小电平; 另一个是侦收灵敏度, 指接收机可以探测到信号并测量其相关瞬时参数的最小信号接收功率[1]。也可以通俗地理解：侦察灵敏度是发现信号所需的最低电平；侦收灵敏度是不但可以发现信号，还可以进行瞬时信号参数(频率、电平、信号类型、调制样式、方位等)测量所需的最低电平。

常规软件无线电接收机一般采用模拟变频体制，噪声系数较大，而信号采集部分A/D量化精度可以达到14位以上，一般可忽略量化噪声影响，灵敏度计算公式如下：

S=-174+101gBW+NF+S/N.

(1)

其中：S为接收机灵敏度，单位为dBm；BW为接收机带宽(分析带宽)，单位为Hz；NF为接收机噪声系数，单位为dB；S/N为所需信噪比，单位为dB[6]。

目前，比较常用的另一种接收机为：射频数字化接收机，射频信号不经过变频，而是采用分波段滤波器、放大等调理后直接送A/D采样，采集到的高速数字信号由DSP或者FPGA进行高速信号处理。在增益相同的情况下，射频数字化接收机的噪声系数比传统接收机要小，同时由于射频数字化接收机的A/D量化位数一般不高，因此后端数字采集处理带来的噪声系数影响将不能忽略。射频数字化接收机的灵敏度计算公式如下：

+S/N.

(2)

其中：S为接收机灵敏度, 单位为dBm；BW为分析带宽，单位为Hz ；NFRF为射频调理前端噪声系数，单位为dB ；NFAD为A/D噪声系数，单位为dB ；G为射频调理前端的增益，单位为dB ；S/N为所需信噪比，单位为dB[7]。

关于S/N的理解一般较容易达成一致，S/N即为不同灵敏度所对应的信噪比：

1) 侦察灵敏度(检测灵敏度)

对于通信电子战接收机，我们通常在全景显示窗口中侦察信号，当信号电平比噪声电平高1～3dB，我们认为可以发现信号，S/N取1～3dB。

2) 侦收灵敏度

侦收灵敏度种类较多，根据测量瞬时信号的参数不同，所需S/N也不同，比如一般数字信号解调需要S/N12dB以上，如要获得相对准确的达到方向则要求S/N大于18dB以上[1]。由于一般电子战接收机的工作频段较宽，为了避免输入信号组合干扰，常在射频输入端设置多组开关滤波器选择信号，因此电子战接收机的噪声系数一般都不高，该灵敏度要求比较合理。

而对于BW的理解经常会有不同，一般有三种理解：信号分析带宽、信号带宽、接收机模拟带宽；我们一般将BW定义为信号分析带宽，如公式(1)所述；对于另外两种理解，我们下面进行讨论：

1) 有人将BW定义为信号带宽。那是因为对于大多数软件无线电接收机而言，我们通常将分析带宽设置为信号带宽，比如某超短波侦察接收机，其侦察对象为超短波通信电台，以语音信号为主，电台信道间隔绝大部分为25kHz，因此通常将分析带宽设置为25kHz，与信号带宽匹配。雷达接收机类似。

2) 另一种理解，将BW定义为接收机模拟带宽，也即接收机瞬时带宽。对于传统接收机而言，这种理解通常也是正确的，比如传统窄带解调接收机，为了取得最佳接收效果，一般中频会设一个相对窄带的模拟滤波器(相对而言，并不一定是真正窄带)，该模拟滤波器的带宽一般尽可能的与信号带宽、信号分析带宽相匹配，比如通信窄带解调接收机模拟带宽有25kHz一档，数据链接收机模拟窄带带宽取5MHz等。当模拟带宽与信号分析带宽不同时，此时会有处理增益，比如某软件无线电接收机，模拟中频带宽为20MHz，信号分析带宽为25kHz，这时需要对灵敏度公示进行修正，如下：

S=-174+101gBWRF+NF+S/N+GP.

(3)

其中：BWRF为射频接收机模拟带宽；GP为处理增益，目前可以达到的处理增益在10～30dB，即实际信号分析的带宽约为0.1～0.001BWRF[1]；比较公式(1)和公式(3)，我们发现，这两个公式其实是表达一个意思，只是角度不同，最终起作用的还是信号处理链末端的等效噪声带宽。为了简化起见，对灵敏度的定义我们不妨采用公式(1)。

需要说明的是，由于电子战接收机的使命决定，我们在电子战接收机的设计过程，并不能一味追求灵敏度，而是需要综合考虑灵敏度与动态范围，好的灵敏度往往意味着瞬时动态有一定的牺牲，二者不可兼得，需要权衡。即使对于某一具体电子战接收机而言，在使用过程中，灵敏度也不是一成不变的，需要特别关注，下面进行讨论。

2 灵敏度变化

在实际使用中，为了达到更好的接收目的，我们常常需要调节电子战接收机的工作模式和信号分析带宽，此时的灵敏度变化情况我们下面进行分析和讨论。

2.1 调节工作模式

为了具有适应复杂电磁环境的能力，电子战接收机往往都预留一些放大/直通/数控衰减等控制设置(对应接收机工作模式：高灵敏度、常规、大动态)，以适应接收信号大小，如表1所示。

表1 接收机工作模式表

下面对接收机三种工作模式下的灵敏度进行分析。假定中频信号处理板的灵敏度和动态范围较好，并与前端配合理想。

1) 常规模式

常规模式顾名思义是接收机大多数时间、常规的工作模式。在该模式下，状态控制模块为直通档，假定此时接收机灵敏度S=-105dBm(CW，S/N=12dB，BW=25kHz)，此时接收机的射频指标如图1所示。

图1 常规模式指标图

此时NF=13dB，对应接收机灵敏度S=-105dBm。假定此时AD的灵敏度潜力已挖掘殆尽，那么对应AD灵敏度应为-75dBm。

在实际工作中，我们也常常使用中频数控衰减来调节接收机增益，假如中频数控衰减了10dB，那么接收机增益为20dB，尽管接收机噪声变化不大，已知AD灵敏度仍为-75dBm，那么接收机灵敏度变为-95dBm。

2) 高灵敏度模式

高灵敏度模式的含义是具有较高的灵敏度，我们将状态控制模块切换至LNA工作，该LNA增益一般为10～20dB，噪声系数也较低，此时接收机指指标如图2所示。

图2 高灵敏度模式指标图

此时NF=4.6dB，根据公式(1)可得，灵敏度S=-174+101g25000+4.6+12=-113(dBm).

与常规模式比较，高灵敏度模式的灵敏度提高了8dB，单独看8dB可能觉得没什么大的提升，但在实际工程中却有比较大的意义，比如某飞机的常规作用距离为100km，在高灵敏度模式下，理论作用距离可大大提升至600km。

3) 大动态模式

大动态模式，我们是将状态控制模块切换至数控衰减支路工作，一般具有0-30dB的调节范围，步进1dB，假如数控衰减为15dB衰减，状态控制模块的总插损为17dB，此时接收机的指标如图3所示。

图3 大动态模式指标图

此时NF=27.2dB，根据公式(1)可得，灵敏度S=-174+101g25000+27.2+12=-90.8(dBm)可知大动态模式的灵敏度比常规模式时有比较大的下降。在状态控制模块中，使用越大的数控衰减，灵敏度会变得越差，但同时更适应大信号的接收。

2.2 调节分析带宽

在接收机的显控界面，我们一般都设置多档分析带宽，常用的分析带宽有25kHz、12.5kHz，6.25kHz、3.125kHz等。一般接收机的默认分析带宽为25kHz，大多数灵敏度也在此状态下定义和考核。假定某接收机NF=13dB，分析带宽BW=12.5kHz，所需S/N=12dB，带入公式(1)可得，该接收机的灵敏度：

S=-174+101g12500+13+12=-108(dBm).

假如接收机的工作模式和分析带宽同时变化，那么接收机的灵敏度变化就有多种组合，见表2。

表2 分析带宽与工作模式组合变化时的灵敏度

以上分析了接收机的灵敏度变化情况，采用不同的测试方法，得到的灵敏度也会有一些差异。

3 灵敏度的测试与检验方法

灵敏度的测试与检验方法大致分为两种：直接法和间接法。

3.1 直接法

直接法就是直接测试接收机的灵敏度。该灵敏度是侦收灵敏度，测试框图如图4所示。

图4 直接法测试框图

测试步骤如下：

1) 按照测试规范设置被测接收机宽带中心频率、显示带宽、频率分辨力和显示门限；设置显示门限值，直至背景噪声刚好从显示器上消失。

2) 设置信号源频率为被测接收机显示带宽内任一频率，输出电平高于被测接收机的显示灵敏度，不加调制(CW信号)。

3) 在被测接收机的显示器上观察到该信号后，降低信号源输出电平，使该信号在显示器上消失；然后增加信号源输出电平，使该信号刚好在显示器上稳定显示为止(S/N一般需要1～3dB)，此时的信号源输出电平，即为被测接收机在该频率点的显示灵敏度(侦察灵敏度)；增加信号源输出，使该信号在显示器上显示比底噪高12dB时，记录此时信号源输出，即为被测接收机在该频率点的侦收灵敏度[8]。