接收机噪声系数对接收灵敏度影响

文/张俊辉【关键词】接收机 噪声系数 灵敏度接收机是由天线、滤波器、放大器和A/D转换器组成的电路系统，在微波通讯系统中，接收机要处理很微弱的信号，一般来说，若无噪声干扰，只要经充分放大，即便是十分微弱的信号也会被检测出来，但实际中，系统各个部分不可避免地存在着附加噪声，微弱的信号往往被淹没在这些噪声中，从而影响到接收机检测信号的灵敏度。1 接收机噪声的来源接收机噪声的来源主要有内部噪声和外部噪声，前者主要有接收机馈线、电阻元器件、混频器、放大器等产生，后者主要指由天线引入的噪声。不同来源的噪声对接收机的影响也有所不同，其中外部噪声对接收机接收信号的干扰存在着时间性、空间性和频率性，通过采取一定的抗干扰措施，可抑制或消除一些外部干扰；内部噪声的影响则不具有以上特性，一旦接收机产生了内部噪声，可能造成接收机饱和或不具放大作用，对接收机的性能影响较外部噪声更大，因此，在降低接收机噪声的研究中主要以内部噪声的研究为主，而为衡量内部噪声，则引入了的噪声系数的概念。2 噪声系数与接收灵敏度的关系理论上，接收机在放大处理信号时，只放大天线所输入的信号及噪声，但实际上，接收机还存在着自身的噪声，噪声系数是用于衡量接收机内部噪声水平的一个物理量，指接收机输入端与输出端信噪比之比，噪声系数的值越大，则说明传输过程中掺入的噪声越大。灵敏度是信噪比能接受情况下，接收机可接收到的最小讯号，其与所要求的信号质量及接收机本身的噪声系数有关，接收机的灵敏度越高，则可接收的信号越弱，作用的距离也就越远。作为衡量接收微弱信号能力的表示方法，噪声系数和灵敏度可以互相换算，其换算公式为：Umin=e={4KTBR•Nf•C/N}式中Umin 表示灵敏度，Nf 表示噪声系数，K、T、B、R 分别表示波兹曼常数、信号源的绝对温度、信号匹配带宽和接收机输入阻抗，本文简要阐述了接收机噪声的来源，在分析接收机噪声系数与接收灵敏度关系的基础上，以某型号雷达接收机为例，对如何降低的接收机噪声系数进行了探讨。摘 要C/N 表示限幅器输入端门限载噪比，其中波兹曼常数为1.38×10-23J/K，T 为常温290K，由公式可知，若给定信号匹配带宽B、输入阻抗R 和限幅器输入端门限载噪比C/N，则噪声系数决定着接收机的灵敏度。由于噪声系数的概念较易理解，在产品和电路设计中往往被用来表示噪声性能，并对接收机的总体灵敏度进行预测，而由噪声系数和灵敏度的定义可知，噪声系数对接收机的灵敏度有着关键的影响，噪声系数越大，则接收机的灵敏度越低，反之，噪声系数越小，接收机的灵敏度越高。当今随着电子对抗及隐身技术发展，要求侦查或接收信号能量越来越微弱，对接收机的灵敏度要求也更高，这也就要求要最大限度降低接收机的噪声系数，从而提高接收机的灵敏度，增大接收机的作用距离。3 降低接收机噪声系数的方法接收机是由多个单元部件级联组成的，其总噪声系数可根据各单元的噪声系数计算得出，级联部件噪声系数的计算如图1 所示。其中F 表示某个单元的噪声系数，G 为增益，据此得出接收机各单元部件级联后的总噪声系数为：由上述公式可知，在接收机总噪声系数中，级数越靠前的部件噪声系数影响越大，因此，要降低噪声系数，提高接收机的灵敏度，则可通过减少前几级单元的噪声系数、减少损耗和提高增益来实现。以某型号的雷达接收机为例，其各部件级联情况如下图2 所示。从以上分析可知，要降低该型号雷达接收机的噪声系数，则可通过以下措施实现：3.1 馈源馈线各器件功率传输系数均<1，则必然产生耗损，从而增加了噪声系数，设计中可通过采用低耗损的馈源馈线部件和匹配电路连接来降低噪声系数。3.2 高频放大器该单元在一定程度上决定着接收机的低噪声性能，而随着具有更低噪声系数和更高增益及工作效率的高电子迁移场效应管（HEMT）和微波砷化镓场效应管（GaAsFETA）放大器的出现，高频放大器的噪声问题得到了很好的解决。3.3 混频器该单元部件的噪声系数一般等于其变频耗损，因此，可采取使用低变频耗损砷化镓肖特基混频二极管、双平衡混频器等来降低混频器的噪声系数。3.4 中频放大器该单元主要放大混频器输出的微弱信号，通常可采用共射击- 共基或共阴- 共栅级联电路可降低其噪声系数。4 结语接收机的噪声对接收机的灵敏度有着很大的影响，其噪声的来源有很多，其中内部噪声的干扰和影响较外部噪声大得多，而作为衡量接收机内部噪声水平的物理量，噪声系数对接收机的灵敏度有着关键的影响，因此，为提高接收机的灵敏度需积极采取一定的措施降低噪声系数，从而提高接收机性能。参考文献[1] 羌琦, 邓凤军. 雷达接收机噪声特性研究分析[J]. 价值工程,2012,31(18):187-188.[2] 宫波, 李淑华. 基于ADS 的通信设备低噪声放大器改进设计与仿真[J]. 电子设计工程,2010,18(2):121-124.[3] 彭能.MB-OFDM 的超宽带无线接收机中CMOS 低噪声放大器的设计[D]. 重庆：重庆邮电大学,2011.作者单位甘肃兰州长风电子科技股份有限责任公司　甘肃省兰州市　730070图1：级联部件噪声系数的计算F1G1F2G2F3G3FnGn图 2：某型号雷达接收机馈源馈线降幅器高频放大器混频器中频放大器检波器采样至信号处理自天线