数字监测接收机的主要性能指标分析_黄光星

0 前言

随着A/D转换器、FPGA和高速DSP的快速发展，数字监测接收机技术日趋成熟，在无线电监测工作中逐渐得到普及。宽带和数字化是无线电通信发展的趋势，数字监测接收机以其出色的监测能力和高速的扫描性能，必将取代传统的模拟接收机成为主要的无线电监测设备。掌握其基本原理和主要性能指标，对于正确评估接收机的性能以及准确地进行无线电监测具有重要的意义。

1 数字监测接收机的基本原理

与模拟接收机相比，数字监测接收机在结构上的主要特点在于对中频信号进行数字化处理，通过数字信号处理算法实现频谱显示、信号测量和解调功能。

数字监测接收机的基本结构如图1所示。

图1 数字监测接收机的基本结构图

射频信号经过二次变频得到一个宽带的模拟中频信号。中频信号经过A/D采样转换成数字信号后送往F P G A 进行数字下变频器（DDC）和速率变换处理。FPGA处理后将生成至少两路IQ基带信号，一路经复数FFT运算后输出中频频谱；另一路送往DSP进行信号测量和数字解调。

对中频信号采样并变换成所需带宽的I Q基带信号的过程，是数字监测接收机的关键步骤。图2是采样、数字下变频和速率变换的原理图。我们结合SystemView仿真

软件的系统图对该部分的原理进行分析和仿真，如图3所

示。SystemView的定时参数设置为系统采样率400MHz、采样数量32768点，给出的频谱均加了Blackman窗函数。

图2 采样、数字下变频和速率变换示意图

图3 采样、数字下变频和速率变换的SystemView系统图

这里以热噪声和10个等间隔的单载波信号表示中心频率为f IF2=75MHz、带宽B IF =20MHz的宽带中频信号，频谱如图4所示。宽带中频信号送往A/D转换器进行带通采样。采样速率由带通采样定理决定。根据带通采样定

理，采样速率只有同时满足以下两个条件才能保证采样后的频谱不发生混叠：

f s >=2B IF （1），f s = 4f 0/(2n+1) （2）。

公式（2）中，n为整数0，1，2，…；f 0为中频信号

中心频率。

如果f IF2=75MHz、B IF =20MHz，可知f s 取值为60MHz、100M H z、300M H z；考虑后续速率变换处理的方便和实际的可行性，这里选择100M H z作为采样频率。采样

数字监测接收机的主要性能指标分析

■ 广东省广州市无线电监测计算站 黄光星

摘 要

结合数字监测接收机的基本工作原理，对接收机的主要指标进行分析，指出其与模拟接收机对应指标的差别，并给出了测试方法。

关键词：

数字监测接收机 数字下变频 动态范围 SystemView

得到的数据速率为100M S P S，中频频谱被搬移到f 1=f s -f IF2=25MHz的位置，仿真结果如图5所示。

把采样数据变换成I Q基带信号的过程称为数字下变频。中心频率在25M H z的采样数据同时输入两个数字乘法器，分别与数字本振产生的25M H z正交信号混频。混频后产生两路相位正交的信号。如果把这两路信号分别作为实部和虚部进行复数FFT运算，将得到混频后IQ信号的复数频谱，如图6所示。混频后中频频谱被搬移到f 1-f LO3=0Hz和f 1+f LO3=50MHz位置。

数字下变频后，I和Q信号的速率都是100M S P S，表示的复数频谱为[-50M H z,50M H z]，实际只有其中的[-10M H z,10M H z]是有用频谱。为了减轻后续电路处理负担，我们需要在保证中频频谱数据不丢失的前提下进行速率变换。这里进行的是4∶1抽取运算，即是数据序列中每4个数据保留1个，其他数据被丢弃。数据的速率降为原来的1/4，即25M S P S。经复数F F T运算得到的频谱范围从原来的[-50M H z,50M H z]变换为[-12.5MHz,12.5MHz]。

值得注意的是，抽取运算并没有滤波功能，原有的高频成分不会消失，而是混叠到抽取后的带宽内。因此要在抽取前用高选择性的低通滤波器滤除高频成分，以避免频谱混叠形成杂散信号。同样为了避免滤波器过渡带的信号混叠到有用频谱中，最终输出的基带信号的带宽与有效的频谱带宽的比值不能小于滤波器的形状因子K。

将基带信号带宽记为B IQ ，则一般情况下有B IQ =K×B IF 。经4∶1抽取运算后的最终输出IQ基带信号的复数FFT 频谱如图7所示，表示的带宽为25MHz。中间平坦部分的频谱为[-10MHz,10MHz]。

图4 输入信号频谱 图5 采样后的频谱

图6 混频后的复数频谱 图7 滤波和抽取后IQ基带信号的频谱同样原理，对数字下变频后的基带信号进行多级滤波和抽取运算即可得到数字解调和信号测量所需的窄带IQ信号。

2 数字监测接收机的主要性能指标分析

从数字监测接收机的工作原理可以看出中频数字化处理部分直接影响整个接收机的性能。我们衡量一台数字监测接收机的性能应从整体上进行测试和评价，不能仅通过对模拟中频信号测试来判断。

2.1 频率准确度和RBW

频率准确度由参考源准确度和R B W决定，并且受显示分辨率影响。

数字监测接收机的R B W 由基带信号带宽B I Q 和F F T运算长度决定,R B W=B I Q /（F F T运算长度）。例如上文仿真例子中，进行复数F F T 运算的基带信号带宽为25M H z，进行2048点复数F F T运算，则RBW=25MHz/2048=12.2kHz。

接收机对R B W的处理主要分两种方式：一种是固定RBW方式，RBW可以按照25kHz、12.5kHz等固定值进行选择，这种方式下FFT运算的长度将随RBW的值变化；另一种是FFT运算的长度固定，RBW由进行FFT运算的基带信号带宽决定。

频率准确度测试方法：输入单载波信号，测量接收机在不同R B W条件下各典型频点的频率误差。精度要求较高时先用计数器对信号源频率进行校正。

2.2 电平准确度

数字监测接收机需要电平校正的环节较多，并且由

于中频带宽较宽很难保证频谱的平坦度。如果没有完善的电平校正，则在不同参数下测量会出现较大误差。

单频点测试方法：输入单载波信号，测量接收机在不同R B W下各典型频点的电平测量误差。输入电平应涵盖接收机的灵敏度到1dB压缩点范围。

频段电平准确度：信号源产生一个固定电平的扫频信号，例如从500MHz到600MHz，观察接收机数字扫描时

最大保持曲线的波动情况。一般要求波动不超过±2dB。