V/UHF监测系统 非线性特性的可视化分析

    作者：平峰  金国娟

    随着VHF/UHF接收机灵敏度的不断提高，监测能力不断增强，监测系统的非线性干扰问题也逐渐凸显出来。

    一个优良的监测系统不但要有监测微弱信号的能力，而且要有对虚假信号的免疫能力。虚假信号通常是远离接收机调谐频率的大信号相互之间因非线性作用而产生的。无线电监测人员需要了解所使用监测系统的非线性特性对监测工作的影响程度。本文为此进行了一系列的实验，对监测系统非线性特性进行了直观的可视化分析。

    V/UHF监测系统非线性特性及动态范围

    监测系统的非线性特性是指监测系统产生的虚假响应，是馈线、接收机、放大器以及其他附件的非线性特性的总和。相位噪声、三阶互调以及高阶互调失真、信号压缩等影响可参考接收机的方法。监测系统非线性动态范围是有效的输入信号范围，可采用“无杂散动态范围”（SFDR，spuriousfreedynamicrange）的概念。这里用“无杂散动态范围”来表示整个动态范围的一部分，是指当两个等功率信号输入时，没有超过噪底3dB的虚假信号的范围。输人信号下限灵敏度为Pin,min，输入信号的上限为Pin,max。规定此输入信号在输出端引起的三阶互调失真分量（Po3）折合到输入端恰好等于基底噪声（Gp是功率增益），则无杂散动态范围定义为:

    ①。

    由系统的基底噪声Pt和所要求的输出信噪比(SNR)o,min可以求出灵敏度，而由系统的三阶互调失真ip3和基底噪声Pt可以求出Pin,max。无杂散动态范围以对数形式表示的动态范围为:

    DRf=2/3（IP3-NF-10logB+174dBm）②。

    NF:噪声系数，dB。

    V/UHF监测系统非线性动态范围的可视化分析

    本次研究注重不同信号强度下V/UHF监测系统反映出来的不同非线性现象，如明显的相位噪声、三阶互调失真信号、底噪的明显恶化、杂波等，分析各种不同非线性现象的数据。此外，分析了不同频率范围对监测系统的非线性现象的影响。

    2.1测试方法

    两个标准信号源SMIQ（合路器与馈线衰减量4dB）同时向监测系统输入射频信号，输入口为监测系统接收机天线口，测试信号频率f1、f2分别为400MHz和400.1MHz,信号强度分别为-90 dBm～0 dBm进行连续的加载测试。测试得到各输入信号强度时的中频频谱图，同时又输入30 MHz～1000 MHz之间不同频点，测试不同频点出现的三阶互调现象电平值。系统测试流程详见图1。

    图1  测试流程框图

    2.2测试过程

    本次测试将信号强度分别为-90dBm～0dBm进行连续加载，得到各输入信号强度时的中频频谱图，具体如下所示。

    （1）输入信号强度为-90dBm，输出信号如图所示。

    （2）输入信号强度为-30dBm，输出信号如图所示。

    （3）继续增加信号强度至-21dBm，这时输出信号如图所示。

    （4）增加输入信号强度至0dBm，输出信号如图所示。

    （5）测试不同频率范围出现的三阶互调电平值。测试数据如表1所示。

    测试结果分析

    从以上不同信号强度所得的中频频谱图和不同频率范围出现的三阶互调电平测试值，我们分析总结出以下四个结论。

    3.1结论一

    从图2显现的中频频谱图看，当输入信号较小时，由于没有非线性特性的影响，各项显示参数正常，其中底噪约为-8dBμv，四周没有明显的互调产物以及相位噪声等非线性。

    此监测系统在中频带宽为1000kHz（为中频显示带宽，不是分辨率带宽）时的本底噪声-8dBμv，按照输入电阻50Ω计算，得到-115dBm的电平值。

    S=-174dBm+NF+10logB+K③。

    S:灵敏度，dBm;

    -174dBm:是室温下，1Hz带宽的热噪声（KTB）;

    NF:噪声系数，dB;

    B:中频带宽，Hz，（假设是视频或解调带宽的两倍）;

    K:期望的信纳比，dB。

    ④。

    注:NF是以dB方式表示的噪声系数;

    Si是设备输入端的信号功率;

    Ni是设备输入端的噪声功率。

    由公式③可知，灵敏度是随着噪声系数的变化和/或中频带宽的变化而变化。根据公式①推算当中频带宽为100kHz时，底噪为-125dBm。如要求期望的信纳比K为10dB，则可得灵敏度S=-125+10=-115 dBm。

    3.2结论二

    从图3、图4的中频频谱图中可以看出，当输入信号强度为-30dBm时，在距输入信号中心400MHz和400.1MHz频率处10 kHz及以内处，频率的底噪上升,约为15 dB,同时10 kHz以外底噪也增加5 db,非线性特性的相位噪声影响较强，但此时互调失真信号还没有开始出现。

    继续增加信号强度，当输入信号强度为-21dBm时，在距输入信号中心400MHz和400.1MHz频率处10kHz及以内处，频率的底噪更加增强,约为20 dB,同时10 kHz以外底噪也增加15 db,非线性特性的相位噪声影响更强。相位噪声形成是由于振荡器短时间的稳定度影响，起源于振荡器输出信号的相位、频率和幅度的变化，同时也受不同锁相环带宽的影响。从相位噪声的影响看，一个纯净的正弦波信号显示时应为一根谱线，但实际振荡器产生的信号却比单一谱线宽，它将沉没靠近载波的小信号。

    3.3结论三

    从图4、图5显现的中频频谱分析，此监测系统在输入信号强度为-20dBm时，互调失真信号开始出现。根据三阶互调失真所遭碰到的最主要的失真的频率关系:

    2f1±f2=ft(三阶互调失真)⑤;

    3f1±2f2=ft(五阶互调失真)⑥;

    4f1±3f2=ft(七阶互调失真)⑦。

    注:f1、f2为有害大信号的频率;

    ft为接收机调谐频率上的互调产物。

    中频频谱图上显示的频率为400.2MHz和399.9MHz频率上的信号为三阶互调信号。在400.3MHz、400.4 MHz、399.8 MHz、399.7 MHz等与主频间隔100 kHz整数倍的频率上也出现对称信号，根据频率关系，可分辨为两信号五阶、七阶互调。

    根据SFDR定义，可以方便地计算出该监测系统的动态范围为-20dBm-4-（-115dBm）=91dB。而从表1可见，不同频段与出现的三阶互调点电平值没有直接的关系。

    3.4结论四

    从图5的中频频谱图分析，继续增加输入信号的强度至0dBm，频率的底噪继续略有上升，多阶互调失真信号继续增强，同时多阶互调失真信号、射频信号由于器件非线性压缩，幅度没有呈现出线性关系，导致幅度大小接近。频谱上产生许多杂乱信号，原因为接收机内部许多产生虚假响应的机制同时工作，一些与合成器的工作方式有关，而有些响应是在两次和三次变频的设计中所必需的不同本振的谐波相互混频产生。此时，由于底噪高、杂波多，输入信号压缩严重，互调信号以及其它信号几乎与输入信号相同，监测系统的监测性能已严重恶化。

    总之，通过不同信号强度在V/UHF监测系统反映出来的不同非线性现象，如三阶互调失真信号的开始出现、底噪的明显恶化、杂波的出现等，不仅能直观地显示各种不同非线性现象的数据，并能分析与测试不同频率范围对监测系统的非线性现象的影响程度。而深入地了解V/UHF监测系统的性能，对无线电监测工作将是很有益处的。