VHF波段接收机的底噪问题分析及优化

谢天明，孙鹏飞，冯宝山

VHF波段接收机的底噪问题分析及优化

谢天明1，孙鹏飞2，冯宝山2

（1.广州维德科技有限公司，广州 510610；2.国家无线电监测中心哈尔滨监测站，哈尔滨 153000）

本文针对VHF波段对接收机底噪问题的产生原因进行了分析，总结了前人的经验并根据自身实践提出了优化措施，通过几个方面的优化来降低接收机的底噪，改善接收指标。

VHF；接收机；底噪；干扰

1 VHF波段

VHF波段（甚高频）是指频率为30～300MHz的甚高频无线电波，是一个非常活跃的本地移动通讯频段。对这个频段的信号电离层基本不产生反射，电波以直射波视距传播为主，传输中遇到有大楼房或山体等，会产生反射波，同时还具有一定的绕射传播能力。

2 对噪声进行优化

本文通过对VHF波段接收机电路及设备整体的优化，来讨论在抑制噪声方面需要考虑的主要因素。接收机采用超外差式结构，由低噪声放大器、混频器、中频滤波器、中频放大器、解调器及MCU控制电路等部分组成。结构框图如图1所示。

图1 接收机结构框图

其中，本振信号（LO）锁相环路采用陶瓷谐振器，产生频率具有稳定、抗干扰性能良好的特点，保证其频率稳定度以及相位噪声等指标。

在设计和调试过程中，针对VHF波段接收机的底噪问题，结合理论分析及总结前人的经验，对以下几个方面的因素进行了优化设计和处理。从效果上来看，接收机的底噪达到了使用指标要求。

2.1 电源处理

要使设备稳定、可靠的工作，首先要保证设备的电源的干净，这是降低设备底噪的前提。

对于前面所述的50Hz交流电源的谐波干扰，采用电源线上增加磁环，设备增加接地端子可靠接地等措施抑制干扰；对于板级开关电源芯片产生的开关噪声，在电源支路上增加π型滤波、串接磁珠，增加旁路电容等措施来减小电源纹波，在此不做赘述。图2是接收机电源滤波电路。

图2 电源滤波电路

2.2 对低噪声放大器电路进行噪声优化

低噪声放大器（LNA）处于接收机系统前端，它的主要作用放大系统接收到的微弱信号，降低噪声干扰，提高接收信号灵敏度，以供系统解调出所需的信息数据，其噪声、线性和匹配等性能好坏直接影响到整个接收系统的性能。噪声系数（NF）作为LNA的主要技术指标，在设计之初就要首先考虑对其进行优化。

噪声系数定义为输入信噪比与输出信噪比的比值，即

用分贝数表示为：NF(dB) = 10lg(NF)

低噪声放大器的输入端需要按照噪声最佳来匹配设计，噪声最佳点并非增益最大点，因此增益G会下降。噪声匹配情况下的增益称为相关增益，通常，相关增益比最大增益低2～4dB。

在此，低噪声放大器的核心器件是采用晶体管ATF54143设计，ATF54143是一款高增益、宽动态范围、低噪声的E-PHEMT（增强模式伪形态高电子迁移率晶体管），只需要一个正的电压偏置，器件体积小，电路集成度高。根据器件性能，在漏电流IDS为60mA时能得到最高的三阶截取点（IP3）和最低噪声系数（NF），在漏电压VDS为3V时，有较高的增益。

接收机的接口阻抗都是按照50欧姆标准设计的，需要对LNA的输入和输出端口进行匹配。一般来说，使LNA的噪声系数变成最低的信号源侧阻抗不是50欧姆，若使LNA的噪声系数良好，则其输入的电压驻波比（VSWR）会变差，若输入的VSWR良好，则噪声系数有变差的趋势。输入端口的匹配对噪声系数的影响非常关键，因此需要按噪声系数最小来匹配。对于单级晶体管放大器的噪声系数，可以转化成等噪声系数圆。圆上每一个点代表一个能产生恒定噪声系数的源发射系数。如要获得需要的噪声系数，只要在圆图上画出对应于这个噪声系数的圆，然后将源阻抗匹配到这个圆上的一个点就行了。LNA的仿真原理图如图3所示。

图3 LNA输入端口匹配仿真原理图

图3中，为了保证放大器的稳定性，增加了反馈电路。在放大器的输入端口，使用Smith圆图匹配工具DA_SmithChartMath来设计匹配电路。实际上，电感和电容的值都不是连续的，因此，只用两个元件很难构成完整的匹配电路，为了得到最佳的匹配效果，通常用多个元件组合进行调整。图4和图5是匹配过后仿真输出的噪声系数，可见此时噪声系数达到最佳。

图4 匹配后的噪声系数圆

图5 匹配后的噪声系数

2.3 屏蔽和接地处理

屏蔽和接地处理结合起来使用，可以很有效解决大部分来自外部的干扰以及设备自身各部分电路之间的干扰。

所谓屏蔽，就是对设备的某一个部分电路或者整个设备本身与外界进行金属隔离，以抑制电场、磁场和电磁波对该部分电路或者设备的感应和传播。首先，本振部分需要完全屏蔽，因为本振信号的频率较高（在此使用高本振结构）并且功率很高，本振信号的质量直接决定着设备的整体指标；射频接收部分需要屏蔽，隔离射频与数字部分，高频与低频部分，这是降低底噪的重要手段；另外，对设备机壳整体屏蔽，也可以有效地抑制外来干扰。

所谓接地，就是选择一个参考点，使系统设备或者各部分电路以此为基准电位，它可以是电路的参考电位，也可以是大地电位。对于射频电路，要采用多点接地的方式，即将各部分电路的地线和屏蔽罩都就近可靠的与参考地线连接，同时，设备机壳最好接入大地，接地线尽量短，降低接地线阻抗。图6为屏蔽及接地设计框图。

特别要注意的是：交流电源的地线必须与信号地线完全隔离，因为在一段电源地线的两点间会有数百毫伏、甚至几伏的电压，这对低电压电路来说是一个非常严重的干扰。

图6 接收机屏蔽及接地设计框图

2.4 加强滤波

鉴于VHF波段频谱使用非常拥挤和杂乱，在接收端口增加滤波可以有效的降低接收机底噪。在此使用圆筒单点滤波器，其中心频率调到接收机的频点141.1MHz，插入损耗（IL）约为0.8dB，3dB带宽为MHz。增加滤波器之前，接收机底噪是-112dBm左右，增加滤波器之后，接收机底噪可达到-120dBm，完全满足接收灵敏度及覆盖要求。使用频谱仪监测该频点附近的频谱，发现在140.8MHz处有一个很强的干扰信号，可见，如果不接滤波器的话，这个信号就会对接收机造成很大的影响，抬升了底噪，致使接收机无法满足覆盖要求。

3 结束语

接收机的底噪产生的来源是相当复杂的，对于其他来源，比如电阻热噪声，是由电阻内部的自由电子无规则的热运动产生的噪声；晶体管的散粒噪声、低频噪声、爆裂噪声等，还有因为电路结构设计不合理产生的噪声等，这些都有待更深入的研究。限于篇幅原因，本文只是着重就上面几个因素进行了分析，而且取得了较为明显的效果，接收机的底噪达到-120dBm。经实际测试，在一般的城市环境下，通过高点架站，可以覆盖12～15千米，完全满足使用需求。

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[2] Reinhold Ludwig, Gene Bogdanov．射频电路设计—理论与应用（第二版）．北京：电子工业出版社，2013:273-303

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Analysis of the Noise Problem of Receiver at VHF Band and Optimization

Xie Tianming1, Sun Pengfei2, Feng Baoshan2
(1.Guangzhou Victel Technology Co.,Ltd., Guangzhou, 510610; 2. State Ha'erbin Station of Radio Monitoring Center,153000)

This paper analyzes the reason why the noise in receiver at VHF band come into being. At the same time, optimization measures are put forward by concluding others' experiences and practices of my own. The noise of receiver comes lower by the optimizations from several aspects, and the receive indicators is improved.

VHF; Receiver; Noise; Interference

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.07.019

TN85，TN92文献标示码：A

1672-7274（2017）07-0051-03