接收机下变频器级联噪声系数研究

时间：2024-05-22

张广显

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051)

0 引言

接收机广泛应用于广播、电视、雷达等系统中[1-2]，随着通信频率的提高，为了便于滤除杂波，一般需要多次下变频才能得到可以解调的中频频率。单边带接收机需要将射频FRF本振FLO进行混频输出中频FIF，射频频率(FLO±FIF)两个频率都会混频成中频，其中含有有用信号的只有一个边带，另一个边带为无用杂波信号被称作镜像频率。镜像频率会增大系统噪声系数约3 dB，在下变频前加入镜像频率抑制滤波器可以有效抑制镜像噪声，提高系统灵敏度，文献[3]-[6]中对此皆有论述，但是却没有给出简单实用的计算公式。本文分析带有镜像抑制滤波器的接收系统级联噪声系数计算公式以及噪声系数受镜像频率抑制度的影响情况。

1 噪声系数定义

噪声系数定义如下[3，7-8]：

在输出端得到的单位带宽总噪声功率与由输入端产生的那部分噪声功率之比，输入端的噪声温度是标准温度 290 K。

根据噪声系数定义可得到噪声系数公式如下：

输出噪声为输入噪声和系统内部产生噪声之和：

其中，K为玻尔兹曼常数，T0=290 K，G为系统增益，NOUT为输出单位带宽噪声功率，NIN为输入端单位带宽噪声功率，NA为系统内部产生的附加单位带宽噪声功率。

由式(1)和式(2)可得到系统附加单位带宽噪声功率：

2 接收机级联噪声系数

2.1 级联噪声系数

接收机为二次下变频结构，框图如图1所示。射频放大器、一混频器、一中放大、二混频、二中放等增益分别为 G1、G2、G3、G4、G5，噪声分别为 F1、F2、F3、F4、F5，第一级滤波器镜频抑制度为α1，第二级滤波器镜频抑制度为，镜频完全抑制时其值为0，镜频没有抑制时其值为1。

图1 二次变频接收机框图

第一级混频器有一个镜频频率，第二个混频器反映到输入端有2个镜频频率，即单边带接收机输入频率LO1±LO2±IF24个频率中有1个有用信号、3个镜频信号。

两个混频器有不同的镜像频率，每个器件根据通过的不同镜像频率产生不同的附加镜频噪声，假设滤波器插损较小可以忽略，器件都为宽带器件镜频和信号处增益相同。根据镜频频率传输过程中被镜频滤波器抑制情况，电路的输出噪声功率为输入端噪声和各个器件附加噪声的总和，由式(3)得到各个部分噪声分别为：

(1)输入单位带宽噪声功率 Nin=KTo，输入一混频单位带宽镜频噪声功率Ninα1=α1KTo，输入二混频单位带宽镜频噪声功率 Ninα2=2α2KTo；

(2)射频放大器附加单位带宽噪声功率NA1=KTo(F1-1），镜频附加单位带宽噪声功率NA1α1=α1KTo(F1-1）和 NA1α2=2α2KTo(F1-1）；

(3)第一级混频器附加单位带宽噪声功率NA2=KTo(F2-1），镜频附加单位带宽噪声功率 NA2α1=KTo(F2-1）和 NA2α2=2α2KTo(F2-1）；

(4)一中频放大器附加单位带宽噪声功率NA3=KTo(F3-1），镜频附加单位带宽噪声功率 NA3α2=α2KTo(F3-1）；

(5)第二级混频器附加单位带宽噪声功率NA4=KTo(F4-1），镜频附加单位带宽噪声功率 NA4α2=KTo(F4-1）；

(6)二中频放大器附加单位带宽噪声功率NA5=KTo(F5-1），二中频放大器在混频器后没有镜频噪声。

系统总单位带宽噪声功率为：

根据噪声系数定义，系统级联噪声系数为：

分别代入 Nout、Nin、Ninα1、Ninα2、NA1、NA1α1、NA1α2、NA2、NA2α1、NA2α2、NA3、NA3α2、NA4、NA4α2、NA5，得到噪声计算公式如下：

2.2 结果讨论

式(6)为二次变频接收机的系统噪声计算公式，如果系统只含有一次变频时，可令α2=0，G4=G5=F4=F5=1，得到一次变频接收机的系统噪声计算公式：

由式(7)可以计算一次变频接收机不同镜频抑制度下的噪声，如果对镜频抑制度 10 dB，则 α1=10-α1(dB)/10=10-10/10=0.1，把 α1=0.1代入式(7)得到这时的噪声系数。

以下分两种特殊情况进行分析：

(1)镜频抑制度很大时，例如大于 20 dB时，α1＜0.01，α1≈0，式(7)简化为[9]：

(2)当镜频完全没有抑制时，α1=1，式(7)简化为[9]：

比较式(8）、式(9)可以看到，通过镜像噪声的抑制系统噪声系数减小约3 dB，但是小于3 dB，当第一级增益G1越大，混频器噪声影响越小，越接近3 dB，镜频抑制效果越好，因此接收机设计时镜频抑制滤波器尽量靠近混频器，提高滤波器前增益，这样才能降低整机噪声系数，提高灵敏度。

2.3 举例说明

图2为接收机的实例框图，输入频率1 000 MHz，一本振频率1 100 MHz，二本振频率110 MHz，输出频率10 MHz，输入端镜频频率共有3个：1 200 MHz、1 220 MHz和980 MHz。第一级滤波器通带频率950 MHz～1 050 MHz，只能抑制两个镜频频率 (1 200 MHz和1 220 MHz)且抑制度大于20 dB；第二级滤波器通带频率 95 MHz～105 MHz，能抑制两个镜频频率(980 MHz和1 220 MHz)且抑制度大于20 dB。以下分4种情况计算系统噪声系数。

图2 接收机实例框图

(1)两级滤波器都没有使用。镜像频率都没有抑制，α1=1，α2=1，代入式(6)得到系统噪声系数为 8.32 dB。

(2)两级滤波器都使用。镜像频率都被抑制且抑制度很大(＞20 dB)，α1≈0，α2≈0，代入式(6)得到系统噪声系数为 2.70 dB。

(3)只使用第一级滤波器，没有使用第二级滤波器。由于第一级滤波器抑制第一个混频器镜频频率1 200 MHz，同时抑制第二个混频器两个镜频频率中的一个1 220 MHz，因此 α1≈0，α2=1(只是 α2前面的系数 2 应为 1)，这时的噪声计算公式如下：

将 α1=0，α2=1代入式(10)，得到噪声系数为 5.52 dB。

(4)只使用第二级滤波器，不使用第一级滤波器。由于第二级滤波器抑制第二个混频器两个镜频频率980 MHz和 1 220 MHz，因此 α1=1，α2≈0，由式(6)得到噪声系数5.37 dB。

由情况(1)～(4)比较可以看到，只使用一个镜频抑制滤波器时系统噪声系数减小约3 dB，但是小于3 dB，当第一级增益G1越大，混频器噪声影响越小，越接近3 dB，镜频抑制效果越好。因此接收机设计时镜频抑制滤波器尽量靠近混频器，提高滤波器前增益，这样才能降低整机噪声系数，提高灵敏度。

同时由情况(1)、(2)可以看到，在使用二次变频进行下变频时，完全不使用镜频滤波器比使用两级滤波器会使噪声增大5.62 dB。实际上由于前级低噪放增益G1(本例中20 dB)较高，噪声系数主要由式(6)中的第一项(1+α1+2α2)F1决定，镜频全部抑制时第一项为 F1，完全没有使用镜频滤波器时第一项变为4F1，表示噪声系数增大6 dB，但是由于镜频抑制滤波器只能抑制滤波器前面的镜频噪声，混频器本身镜频噪声不能得到抑制，因此噪声系数增大值要小于6 dB，本例中只有5.62 dB。

表1 实际测试和公式计算噪声系数结果比较 (dB)

图3 三次变频接收机框图