如何应对导致无线电灵敏度下降的诸多原因

如何应对导致无线电灵敏度下降的诸多原因

作者：Arnoldas Bagdona，富昌电子现场应用工程师

零中频（零差）接收机在无线电接收机中日益普遍，与旧的和更复杂的架构相比，它提供了几个显著优点。但由于各种原因的影响，零中频接收机（IF =中频）的灵敏度有所降低。在了解其灵敏度降低的原因之后，设计工程师就能够采取对应措施，确保其电路拥有可靠的无线电接收功能和足够的范围。

在本文中，富昌电子的现场应用工程师Arnoldas Bagdonas描述了导致零中频接收机灵敏度降低的主要机制，并提出了一些建议的技术和元器件，以帮助开发人员避免受其影响。

零中频接收机：一种普遍选择

由于以下三个主要原因，零中频接收机赢得了系统设计人员的支持：

当在发送和接收模式之间切换时，它不需要收发器的本地振荡器（LO）改变频率。这意味着模式之间的转换非常快速。

与传统的超外差接收机结构相比，零中频接收机的零差结构不会产生一个“镜像频率” – 一个等于所需频率加上两倍中频的不期望的输入频率。如果不进行处理，镜像频率会干扰无线电接收。因此，超外差接收机需要镜像抑制，通常是通过在射频前端增加额外的滤波电路来实现。而零差接收机则不需要镜像抑制。

最重要的是，信号处理发生在数字领域，这有利于降低系统成本。当采用匹配的滤波和同步检测技术时，它还支持有效的解调操作。

有关零中频无线电系统的操作和设计的文献相当广泛。但是，本文第一次给出了这些电路中导致灵敏度降低的机制的完整概述，如图1所示。它表明，零中频收发机灵敏度降低有两个主要原因：接收机和发射机不匹配，以及接收机侧增加的噪声基底。

图1：显示零中频接收机灵敏度降低的原因的故障树图

发射机 - 接收机不匹配

所发射的信号的频谱和接收机的带宽之间不匹配会导致灵敏度的降低，因为所发送的能量的某些部分不能进入接收机的通带中。这种情况最常见于系统原型设计的早期阶段，通过分析所选调制参数和方案对运营商频谱的影响可以立即修复此问题。此外，通常情况下，在窄带信道中，使用更宽的接收机带宽用于发送机和接收机的LO频率偏移补偿，也会导致灵敏度略微下降。

广泛用作基准频率源的晶体振荡器中的频率漂移是收发机接收机不匹配的另一个常见原因。

频率或带宽不匹配的问题对窄带系统的影响大于对宽带系统的影响。但在任何无线电设计中，都可以通过适当的电路设计（允许稳定的工作温度、最小驱动电平，以及如果需要的话，允许静态预老化）大大地减轻上述问题。

增加的噪声基底

接收机侧的噪声基底的增加可能是由几种不同的机制引起的。例如，在非屏蔽电路中，开关数字电路的噪声可以泄漏到接收机输入端，通过使用良好的电路板布局，包括使用高品质的屏蔽连接器和噪声源屏蔽等可以减轻其影响。

图2：用于检测自辐射和传导高频噪声的影响的测量设置

可以通过管理噪声频谱来补充这些技术，使噪声发生的频率远离载波信号的频率。

其他有用的技术包括通过在电源中实施去耦和旁路电路以实现滤波，以及减轻自身干扰。如图2所示的测量设置，可以通过监测误码率（BER）和接收信号强度指示器（RSSI）电平的变化来发现噪声源。

另一种技术是有源噪声消除，它对于具有紧密间隔的天线辐射、内部处理器噪声、摄像机和显示器噪声等特别有效，如图3所示。可以通过使用一款如Intersil公司的QHx220干扰消除器的器件来实现。

图3：Intersil的QHx220可以消除300MHz - 3GHz频率范围内的高达20dB的噪

声

电源中的低频噪声与高频噪声一样危险。例如，如果电路受到低电源抑制比（PSRR）的，LO相位噪声会增加，降低了接收机的性能。具体地说，LO相位噪声可以使信号-噪声比（SNR）降低到理想混频器所能达到的水平之下，或者当使用相位调制载波时，它会导致寄生的附带相位调制。两种影响都会降低接收机灵敏度。

如果电源噪声是周期性的，而不是随机的，则可能发生LO杂散，如图4所示。带内杂散与上述LO相位噪声有同样的影响；而带外杂散发生在不可预料的输入频率，可能会反过来引起接收机杂散。这些不可预料的输入波段中的任何能量都作为噪声注入到主接收机波段。导致不可预料的杂散的一个常见原因是使用了低品质的参考晶体 - 寄生振动和高驱动电流往往影响其性能。

以上的电源噪声影响的描述表明，系统设计人员应计算可以接受的最大噪声水平。在设计PLL电源的有效方法中，也可以通过将低频方波DC耦合到电源来测量VCO推压系

数（频率变化与电压变化之比），同时观察VCO输出频谱上的频移键控（FSK）调制峰值。峰值之间的频率偏差除以方波的振幅可得到VCO推压数：这是用来确定可接受的电源噪声水平，从而使PLL相位噪声保持在可接受的水平。该方法适用于测量接收机的电源性能，同时监测BER。

图4：杂散的本地振荡器音频的影响和接收机响应

减轻噪声对射频电路性能的影响

了解了接收机灵敏度降低的机制之后，RF系统设计人员可以开始着手于消除或减轻噪声的影响。高频电源噪声组件通常由无源RLC网络和屏蔽的组合来进行滤波。

低频噪声需要采用不同的方法。首先，高速低压差稳压器（LDO）提供高电源抑制比

（PSRR）和低输出噪声，在低频率时优于无源电路。

然后，天线接收到的信号由内部或外部低噪声放大器（LNA）放大。这些放大器的性能对电路整体的性能有明显的影响。应仔细研究噪声系数和LNA的线性度（通常定义为三阶或二阶输入交调截点IIP3和IIP2），因为噪声和LNA产生的交调产物可以屏蔽所接收到的信号。

关于LNA被强烈的带外干扰信号过载时如何抑制噪声系数的降低，安华高科技提供了一个有趣的观点。安华高表示，使用一个前置滤波器来防止强烈的干扰信号泄漏到接收机路径，能获得比任何其他抑制方法更好的效果，如图5的GPS系统所示。此结果可以推广到所有其他频段，因为LNA的降低机制保持不变。

图5：LNA级的各种前置和后置滤波器配置

另一个很好的做法是将接收机的噪声基底指定成在接收机的输入带宽处计算所得的热噪声基地减去6dB的水平。如果不这样做，增加的噪声基底会在接收机灵敏度方程中起主要作用：

SIN = K•T•BRF + N + NF + SNR

其中：

SIN是可用的输入信号功率（dBm）

NIN = K•T•BRF是可用的输入热噪声功率

K = 玻尔兹曼常数

T是室温

BRF是射频载波带宽（单位Hz）

NF是噪声系数（单位dB）

SNR（单位dB）是接收机正常运行时所要求的信噪比（产生一个指定的输出信号）

N是实际应用中额外的噪声电平（dBm）。

最后，半导造商开发的新产品和技术也可以实现接收机灵敏度的显著改善，与上述的抑制技术完全无关。Semtech公司的SX1272和SX1273产品中的新LoRa™调制方案就是一个例子。当使用低成本、低容差晶体基准时，LoRa提供比FSK调制方案高10dB的灵敏度。

LoRa器件的增强性能是由Semtech公司开发的专有的扩频调制技术实现的。它还提供了另一个优点：每个扩频因子是正交的，因此允许多个发送信号驻留在同一信道内，而不会发生干扰。