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提高监测系统动态范围 减少内部失真
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无线电监测系统需要接收不同形式的信号，因此应具有高接收灵敏度、大动态范围、极快的搜索截获速度、宽工作频率范围、多种信号形式的解调能力、完善的信号分析处理能力、灵活的控制方式、多站构成广域系统等功能。
无线电信号强弱差异很大，监测系统既要监测小信号，还要监测大信号，这就要求监测系统具有很宽的动态范围。
监测系统动态范围对测试结果的影响
图1为国外某监测系统的实际监测界面。(a)、(b)不同之处在于分别获取两界面时，发射源与监测系统天线间的距离不同。分析（a）中的数据，此时发射源与监测系统天线间的距离较远，最大信号电平为35 dBμV，290 MHz～300 MHz频段中超过10 dBμV的信号只有5个。（b）中发射源与监测系统天线间的距离较近，最大信号电平为82dBμV，而290 MHz～300 MHz频段中所有频道电平值均超过了10 dBμV。显然，（b）图中，由于大信号电平超过了系统瞬时动态范围限值（约65 dB）而产生了内部失真。如果频道占用度自动测试系统以10 dBμV作为统计门限来测试各频道占用情况，则最大信号电平为35 dBμV时290 MHz～300 MHz频段中只有5个频道被占用。而最大信号电平为82dBμV时会作出290 MHz～300 MHz频段中所有频道全部被占用的错误报告。
可见，有必要对频谱监测系统产生内部失真产物的机理进行研究，以便在工程建设中采取有效的技术措施予以弱化;还应对现有设备的内部失真性能进行研究，以便在使用中扬长避短，同时要对各设备提供方产品的内部失真性能进行研究，以便在采购时择优决策。
系统动态范围受限的几个环节
2.1 有源天线动态范围的限制
有源天线一般由天线阵子、保护电路、匹配、放大器等电子电路构成。其内部保护电路、放大器等的输入输出特性有一定的线性动态范围，正常使用时信号强度应在它的线性动态范围内，否则就会产生天线内部失真。接收机的内部失真产物还可以利用外接RF衰减器试验方法加以识别，而天线内部失真产物往往会被监测系统认为是空中信号而作出错误的判断。
2.2 天线转换矩阵动态范围的限制
天线转换矩阵一般由电子开关构成。当需要通过的信号电平过大时，会被限幅而产生内部失真产物。
2.3 混频器动态范围的限制
混频器工作原理就是依靠电子电路的非线性作用，产生本振频率与信号频率的和或差频，而实现信号频率搬移的。当两个以上信号同时输入到混频器时，各输入信号及它们的谐波成分在混频器内部同样会产生和或差频。这种新的频率成分（接收机内部失真）也有可能落到中频带内。在一定的信号电平范围内，混频器产生的内部失真可以被忽略。但二阶内部失真信号电平随输入信号电平按二次方规律增长;三阶内部失真信号电平随输入信号电平按三次方规律增长。可见，当总的输入信号电平大到一定程度时混频器产生的内部失真便不能被忽略了。
2.4 中频放大器对动态范围的限制
为了接收小信号，中频放大器必须提供相当高的增益。中频增益主要决定着系统的灵敏度性能。但是，中频放大器也有一定的动态范围，输入信号增大时就会出现失真。一般通信接收机中常采用负反馈电路实现自动增益控制。然而，在监测接收机中却不能这样做，因为监测接收机要准确测量信号电平值。有的接收机企图通过衰减信号的方法减少失真，这种方法在降低大信号的同时也对小信号进行了衰减。这就使其测量小信号的能力降低了，其总体效果降低了系统的灵敏度，反而使得系统动态范围降低。
2.5 模数转换器（ADC）动态范围的限制
ADC动态范围的下限（识别最小信号的能力）与ADC的转换灵敏度及信噪比有关。
（1) ADC的转换灵敏度
ADC的转换灵敏度（也称ADC的分辨率）取决于ADC器件的输入电压范围Vp-p（-V，V）及其转换位数n;若Vp-p=2V，一个量化阶所能识别的电压为ΔV=2V/2n;ADC位数越多，器件电压输入范围越小，它的转换灵敏度越高。
（2)信噪比（SNR）
理论上给定采样频率fs时，处于0.5fs带宽内的量化噪声为ΔV/，对于一个满量程的正弦信号，SNR可表示为:
SNR=6.02n+1.76dB+10lg（fs/2B），
B为模拟中频信号带宽。
在一个模拟中频带宽中同时不失真地监测大、小信号的最大能力与ADC的信噪比值近似（不超过），即:监测大信号不产生压缩的幅度为ADC的满量程值，最小信号的识别条件是信号幅度大于ADC的底噪（可以认为是ADC的分辨率）。
当fs=67.8MHz，B=4MHz，Vp-p=1V 时，SNR值见表1。
从表1中可看出，采用转换位数n越大，采样频率fs越高，ADC动态范围就越大，当然这样的选择成本越高。
改善监测系统动态范围降低系统内部失真的方法
（1）尽量选用专业监测接收机
专业监测接收机设计有RF预选器，一般由多个不同带宽和中心频率的亚倍频程滤波器组成。由于目前业界对宽带信号监测功能的重视，过去常用的监测接收机只有窄带中频，不能胜任宽带信号的监测，有些同行就把目标转到了目前较先进的具有宽带扫频功能的射频信号分析仪上，它们的高速、宽带功能很有优势，但由于它们一般在RF输入之后没有进行RF预选处理（或只有简单的低通滤波），所以，在城区复杂的电磁环境中，当监测频段附近有大信号时它们的抗干扰能力明显较接收机差。由大信号进入接收通道产生的非线性失真分量，不但抬高了底噪，使系统灵敏度降低，有些甚至大大超过外部信号，即出现了外界客观不存在的假信号，这样的监测系统实际上的瞬时动态范围是不能满足复杂电磁环境下监测工作需要的。
合理的选配方案应该是：选用有RF预选器的专业监测接收机模拟通道（有些厂家称为tuner），利用其宽带中频输出，进行可控衰减的中频放大滤波处理，之后做14或16位精度的A/D转换、数字下变频、数字正交变换、专用DSP（FFT变换、信号解调、监测测向专业算法的实现）、PC接口及显示操作实现。
（2）采用无源天线
在条件许可的情况下，选用无源天线做监测天线是明智的。在固定站可由不同频段的多副无源天线覆盖全频段;但在频率低段，要保证无源天线增益足够高，天线尺寸就要足够大，这在外出执行监测任务时极为不方便。现在已有方便安装与撤收的宽带（50 MHz～3 GHz）便携天线供选用。
（3）采用大动态范围天线转换开关矩阵
监测系统使用的射频开关矩阵一般由宽频率范围的微波开关电路构成。例如HE116GaAs单刀双掷微波开关电性能中，1 dB压缩输入功率为16～24 dBm，如果射频输入电平值超过此限值也会产生失真产物。所以，应该采用大动态范围微波开关电路构成的射频开关矩阵。
（4）采用高性能预选器
性能优良的射频预选器应由RF衰减器、亚倍频程带通滤波器、窄带带阻滤波器、低噪声放大器等构成。
一般接收机都有RF衰减器。在测量大信号时，为了保护设备和避免失真经常使用RF衰减。亚倍频程带通滤波器用于对带外信号进行有效抑制，尽可能减少大信号进入系统的机会。窄带带阻滤波器在系统设计时适当使用，将监测站存在的定频常发大信号进行有效抑制。为了提高测试系统的灵敏度，低噪声放大器经常在测量小信号时使用，但此时要特别注意控制其输入总电平值，以免其产生的内部失真带来错误的报告。
（5）采用大动态范围混频电路
混频电路的动态范围对系统动态范围起着关键作用，应尽量扩大。但是，这会使系统功耗增加。也可通过应用软件调整混频器的本振电平值，本振电平越高，1dB压缩点也越高，动态范围就越大。当然这也可能使本振信号泄漏发射升高，给系统电磁兼容带来不良影响。
（6）采用数字控制中频增益控制
一般接收机的人工增益控制（MGC）和自动增益控制（AGC）功能均用来调整系统的动态范围。但是，由于它们影响电平测量的准确性，在频谱监测时不能使用。对此，一般采用数字增益控制（DGC），系统在根据信号大小控制中频放大器的增益值的同时，对信号电平测量结果进行相应修正。
（7）提高ADC的信噪比
提高ADC的信噪比（SNR），可以使系统瞬时动态范围得到提高，以增加硬件成本为代价的方法有:
增加ADC的有效位数n、提高采样频率fs、降低一次采样的模拟信号带宽B。
还可以实时调整ADC不过载的监测范围：
根据实际监测环境的情况确定系统重点监测场强的范围，适时调整线性不过载范围。如图2所示，在监测强信号为重点时控制增大Vp-p，使监测信号幅度范围上移为D′，在监测小信号为重点时，控制减少Vp-p，使监测信号幅度范围下移为D″。
结束语
电子电路工作中产生内部失真产物是难免的，我们只要能适当控制使其频率不要落在测试带内，或者幅度不超过要测试的最小信号电平值，即可不产生错误的测试报告。当系统内部失真有可能产生假信号造成错误测试报告时，还可以利用监测系统内部失真产物信号自动识别的应用技术（如:采用输入射频电平实验、信号多域相关性判别、频谱模型识别等技术）对测量得到的信号，特别是小信号和互调信号进行自动识别，判断它们是否确属来自空间的电磁信号。
好的监测系统不仅要求发现小信号的能力强,灵敏度高，还要求系统线性好，具有宽的线性动态范围，即能在强弱信号并存的电磁环境下不失真地工作。
参考文献
[1]李景春.扩展监测站覆盖区域技术研究.中国无线电. 2006.4
[2] 扬小牛 等著.软件无线电原理与应用
[3] 扬小牛 等译.软件无线电技术与实现
[4] 朱庆厚 编著.无线电监测与通信侦察
[5] ITU频谱监测手册
作者：徐兰 来源：中国无线电管理
无线电信号强弱差异很大，监测系统既要监测小信号，还要监测大信号，这就要求监测系统具有很宽的动态范围。
监测系统动态范围对测试结果的影响
图1为国外某监测系统的实际监测界面。(a)、(b)不同之处在于分别获取两界面时，发射源与监测系统天线间的距离不同。分析（a）中的数据，此时发射源与监测系统天线间的距离较远，最大信号电平为35 dBμV，290 MHz～300 MHz频段中超过10 dBμV的信号只有5个。（b）中发射源与监测系统天线间的距离较近，最大信号电平为82dBμV，而290 MHz～300 MHz频段中所有频道电平值均超过了10 dBμV。显然，（b）图中，由于大信号电平超过了系统瞬时动态范围限值（约65 dB）而产生了内部失真。如果频道占用度自动测试系统以10 dBμV作为统计门限来测试各频道占用情况，则最大信号电平为35 dBμV时290 MHz～300 MHz频段中只有5个频道被占用。而最大信号电平为82dBμV时会作出290 MHz～300 MHz频段中所有频道全部被占用的错误报告。
可见，有必要对频谱监测系统产生内部失真产物的机理进行研究，以便在工程建设中采取有效的技术措施予以弱化;还应对现有设备的内部失真性能进行研究，以便在使用中扬长避短，同时要对各设备提供方产品的内部失真性能进行研究，以便在采购时择优决策。
系统动态范围受限的几个环节
2.1 有源天线动态范围的限制
有源天线一般由天线阵子、保护电路、匹配、放大器等电子电路构成。其内部保护电路、放大器等的输入输出特性有一定的线性动态范围，正常使用时信号强度应在它的线性动态范围内，否则就会产生天线内部失真。接收机的内部失真产物还可以利用外接RF衰减器试验方法加以识别，而天线内部失真产物往往会被监测系统认为是空中信号而作出错误的判断。
2.2 天线转换矩阵动态范围的限制
天线转换矩阵一般由电子开关构成。当需要通过的信号电平过大时，会被限幅而产生内部失真产物。
2.3 混频器动态范围的限制
混频器工作原理就是依靠电子电路的非线性作用，产生本振频率与信号频率的和或差频，而实现信号频率搬移的。当两个以上信号同时输入到混频器时，各输入信号及它们的谐波成分在混频器内部同样会产生和或差频。这种新的频率成分（接收机内部失真）也有可能落到中频带内。在一定的信号电平范围内，混频器产生的内部失真可以被忽略。但二阶内部失真信号电平随输入信号电平按二次方规律增长;三阶内部失真信号电平随输入信号电平按三次方规律增长。可见，当总的输入信号电平大到一定程度时混频器产生的内部失真便不能被忽略了。
2.4 中频放大器对动态范围的限制
为了接收小信号，中频放大器必须提供相当高的增益。中频增益主要决定着系统的灵敏度性能。但是，中频放大器也有一定的动态范围，输入信号增大时就会出现失真。一般通信接收机中常采用负反馈电路实现自动增益控制。然而，在监测接收机中却不能这样做，因为监测接收机要准确测量信号电平值。有的接收机企图通过衰减信号的方法减少失真，这种方法在降低大信号的同时也对小信号进行了衰减。这就使其测量小信号的能力降低了，其总体效果降低了系统的灵敏度，反而使得系统动态范围降低。
2.5 模数转换器（ADC）动态范围的限制
ADC动态范围的下限（识别最小信号的能力）与ADC的转换灵敏度及信噪比有关。
（1) ADC的转换灵敏度
ADC的转换灵敏度（也称ADC的分辨率）取决于ADC器件的输入电压范围Vp-p（-V，V）及其转换位数n;若Vp-p=2V，一个量化阶所能识别的电压为ΔV=2V/2n;ADC位数越多，器件电压输入范围越小，它的转换灵敏度越高。
（2)信噪比（SNR）
理论上给定采样频率fs时，处于0.5fs带宽内的量化噪声为ΔV/，对于一个满量程的正弦信号，SNR可表示为:
SNR=6.02n+1.76dB+10lg（fs/2B），
B为模拟中频信号带宽。
在一个模拟中频带宽中同时不失真地监测大、小信号的最大能力与ADC的信噪比值近似（不超过），即:监测大信号不产生压缩的幅度为ADC的满量程值，最小信号的识别条件是信号幅度大于ADC的底噪（可以认为是ADC的分辨率）。
当fs=67.8MHz，B=4MHz，Vp-p=1V 时，SNR值见表1。
从表1中可看出，采用转换位数n越大，采样频率fs越高，ADC动态范围就越大，当然这样的选择成本越高。
改善监测系统动态范围降低系统内部失真的方法
（1）尽量选用专业监测接收机
专业监测接收机设计有RF预选器，一般由多个不同带宽和中心频率的亚倍频程滤波器组成。由于目前业界对宽带信号监测功能的重视，过去常用的监测接收机只有窄带中频，不能胜任宽带信号的监测，有些同行就把目标转到了目前较先进的具有宽带扫频功能的射频信号分析仪上，它们的高速、宽带功能很有优势，但由于它们一般在RF输入之后没有进行RF预选处理（或只有简单的低通滤波），所以，在城区复杂的电磁环境中，当监测频段附近有大信号时它们的抗干扰能力明显较接收机差。由大信号进入接收通道产生的非线性失真分量，不但抬高了底噪，使系统灵敏度降低，有些甚至大大超过外部信号，即出现了外界客观不存在的假信号，这样的监测系统实际上的瞬时动态范围是不能满足复杂电磁环境下监测工作需要的。
合理的选配方案应该是：选用有RF预选器的专业监测接收机模拟通道（有些厂家称为tuner），利用其宽带中频输出，进行可控衰减的中频放大滤波处理，之后做14或16位精度的A/D转换、数字下变频、数字正交变换、专用DSP（FFT变换、信号解调、监测测向专业算法的实现）、PC接口及显示操作实现。
（2）采用无源天线
在条件许可的情况下，选用无源天线做监测天线是明智的。在固定站可由不同频段的多副无源天线覆盖全频段;但在频率低段，要保证无源天线增益足够高，天线尺寸就要足够大，这在外出执行监测任务时极为不方便。现在已有方便安装与撤收的宽带（50 MHz～3 GHz）便携天线供选用。
（3）采用大动态范围天线转换开关矩阵
监测系统使用的射频开关矩阵一般由宽频率范围的微波开关电路构成。例如HE116GaAs单刀双掷微波开关电性能中，1 dB压缩输入功率为16～24 dBm，如果射频输入电平值超过此限值也会产生失真产物。所以，应该采用大动态范围微波开关电路构成的射频开关矩阵。
（4）采用高性能预选器
性能优良的射频预选器应由RF衰减器、亚倍频程带通滤波器、窄带带阻滤波器、低噪声放大器等构成。
一般接收机都有RF衰减器。在测量大信号时，为了保护设备和避免失真经常使用RF衰减。亚倍频程带通滤波器用于对带外信号进行有效抑制，尽可能减少大信号进入系统的机会。窄带带阻滤波器在系统设计时适当使用，将监测站存在的定频常发大信号进行有效抑制。为了提高测试系统的灵敏度，低噪声放大器经常在测量小信号时使用，但此时要特别注意控制其输入总电平值，以免其产生的内部失真带来错误的报告。
（5）采用大动态范围混频电路
混频电路的动态范围对系统动态范围起着关键作用，应尽量扩大。但是，这会使系统功耗增加。也可通过应用软件调整混频器的本振电平值，本振电平越高，1dB压缩点也越高，动态范围就越大。当然这也可能使本振信号泄漏发射升高，给系统电磁兼容带来不良影响。
（6）采用数字控制中频增益控制
一般接收机的人工增益控制（MGC）和自动增益控制（AGC）功能均用来调整系统的动态范围。但是，由于它们影响电平测量的准确性，在频谱监测时不能使用。对此，一般采用数字增益控制（DGC），系统在根据信号大小控制中频放大器的增益值的同时，对信号电平测量结果进行相应修正。
（7）提高ADC的信噪比
提高ADC的信噪比（SNR），可以使系统瞬时动态范围得到提高，以增加硬件成本为代价的方法有:
增加ADC的有效位数n、提高采样频率fs、降低一次采样的模拟信号带宽B。
还可以实时调整ADC不过载的监测范围：
根据实际监测环境的情况确定系统重点监测场强的范围，适时调整线性不过载范围。如图2所示，在监测强信号为重点时控制增大Vp-p，使监测信号幅度范围上移为D′，在监测小信号为重点时，控制减少Vp-p，使监测信号幅度范围下移为D″。
结束语
电子电路工作中产生内部失真产物是难免的，我们只要能适当控制使其频率不要落在测试带内，或者幅度不超过要测试的最小信号电平值，即可不产生错误的测试报告。当系统内部失真有可能产生假信号造成错误测试报告时，还可以利用监测系统内部失真产物信号自动识别的应用技术（如:采用输入射频电平实验、信号多域相关性判别、频谱模型识别等技术）对测量得到的信号，特别是小信号和互调信号进行自动识别，判断它们是否确属来自空间的电磁信号。
好的监测系统不仅要求发现小信号的能力强,灵敏度高，还要求系统线性好，具有宽的线性动态范围，即能在强弱信号并存的电磁环境下不失真地工作。
参考文献
[1]李景春.扩展监测站覆盖区域技术研究.中国无线电. 2006.4
[2] 扬小牛 等著.软件无线电原理与应用
[3] 扬小牛 等译.软件无线电技术与实现
[4] 朱庆厚 编著.无线电监测与通信侦察
[5] ITU频谱监测手册
作者：徐兰 来源：中国无线电管理
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