论中继站的双工问题
我在很多年前架过一些中继,有业余的,也有专业的。于是经常有人咨询一些关于中继的问题,其中比较有代表性的是:能不能用两根天线代替双工器;用单独的滤波器代替双工器好不好?任何事情认真去做,就可能产生出色的效果。一个简单的中继站,其实也有值得弄清楚的学问。为了彻底解答这个问题,有必要深入探讨中继站的双工问题。

采用双工器的目的是让中继站的收发信机能够同时工作,在接收的同时发射,在发射的同时接收。“双工”就是收发同时进行的意思。相应的,接收的时候不发,发射的时候不收,在通信领域叫做“单工”。至于用几根天线,倒与“双工”这个词没有直接关系。

前面已经谈到,中继站需要收发同时进行。由于中继站的收发信机工作在不同的频率上,如果收发天线距离很远,比如3公里,显然收发同时进行毫无问题。所以,如果用一部接收机和一部发射机,把它们分别放在相距3公里远的地方,然后用电话线联系起来,就可以构成“一部”中继站。

异地放置收发信机很不方便。通常必须安放在一个机房中,然后在就近的铁塔上安装天线。如果使用两根天线,由于它们相距很近,发射的信号会有相当一部分通过接收天线传到接收机去,从而产生一系列影响。如果使用一根天线,那么发射机的功率就可能直接进入到接收机中,烧坏接收机。因此,不论使用两根天线还是使用一根天线,都需要采取一定的技术措施。

发射机究竟会对接收机产生哪些影响呢?显然,发射机的功率很大,如果窜一点到接收机去,哪怕只有十分之一,也会瞬间烧坏接收机的前端电路。在实际工程中,大家对此都有充分的准备,所以不用专门探讨。

问题主要存在两个方面,一是发射机功率即使泄露更小,达到百分之一或者千分之一水平,相比接收机来说都是巨大的。接收机前端的滤波器通常不能在相距不远的频率上提供足够的抑制,而通信接收机的动态范围比较有限,发射信号会使接收机的第一放大器进入非线性区,也就是俗称的饱和或阻塞。第二个问题更为隐秘,发射机除了发射希望的信号之外,还存在宽带的噪音,这些噪音也会漏进接收机。而同频的噪音可以长驱直入,接收机拿他一点办法都没有。下面分别分析。

接收机抗阻塞能力通常用“阻塞电平”来表示。阻塞电平的定义为:接收机因受带外强信号干扰,而导致其灵敏度恶化6dB时,带外干扰的电平。通常而言,移动通信基站的阻塞电平在-20dBm左右。遗憾的是,专业通信里面的中继机通常并不给出这个指标。历史上,KG110给出过一个“偏离1MHz处优于90dB”的说法,不清楚是如何定义的。如果按灵敏度计算的话,也许可以理解为阻塞电平=-30dBm。从这些蛛丝马迹可以看出,民用通信接收机的抗阻塞能力是很差的,远低于测量接收机或军用接收机(通常在0dBm水平,例如KC902即使开前置放大器也能达到这个指标)。

下图是一部典型的接收机的框图。数字序号代表可以引起阻塞的环节。
阻塞原理.png


放大器1和放大器4在专业接收机中必然会采用输入压缩点接近0dBm的器件,而在民用接收机中往往达不到这个水平,常见为-10~-20dBm。混频器2的截点也不会太高,因为高的截点意味着需要大的驱动功率。当有强干扰落在预选器带内时,混频器将无法正确输出中频信号;如果再落在中频滤波器带内,那么解调电路(或ADC)之前就会全军覆没。由于中继机一般采用窄带晶体滤波器,后一种情况不常见。

除了放大器的饱和,本地振荡器的相噪也会与强干扰在混频器中相乘,导致底噪抬高。如果干扰靠得近,待接收的信号将落在干扰的混频产物的裙边内部,弱信号会被裙边淹没。
如果AGC电路的采样点在中频滤波器之前,强信号会导致接收机增益降低,从而影响微弱信号的接收能力。

如果按照-20dBm来计算(在民用接收机中这已经是不错的指标),相对于中继发射机常见的+47dBm(相当于50W)功率输出,就要求收发隔离度至少67dB。否则接收机就会发生超过6dB的灵敏度下降。如果要求灵敏度一点都不下降,那么这个隔离度还需要提高一些,比如提高到70dB。幸运的是,实际情况往往比这个好。中继机不是吃素的,既然叫中继机,在设计中就已经进行了针对性的优化。下图是建伍TKR850的前级框图。
1.png

技术手册对此有这样的描述。
1.png

可以看出,对于常见的5MHz或10MHz频差的应用,发射机的频率已经落到了前级滤波器L2的带外。此时这个滤波器还能提供10~20dB的抑制,使隔离度要求降低10dB以上。

要好好利用前级滤波器,就需要对中继机进行精心调整。每一台中继机在正式使用前,都应当根据其设置的频率,通过调节这些滤波器使其灵敏度最佳,此时滤波器的中心频率基本对准接收频率,方能使发射频率落到带外。在灵敏度接近的情况下,适当的将滤波器向远离发射频率的方向调,有利于提高抗阻塞性能。

普通的车载电台虽然也有前置滤波器,但其范围极宽,通常覆盖整个可工作频段,对于提高抗阻塞能力没有任何帮助(20年前出的部分型号例外,如KG106)。手持电台因为省电的要求,阻塞电平更低,通常在-40dBm左右。用它们来搭建中继就意味着必须采用更加严格的收发隔离措施。

预防阻塞只是中继站的最基本要求。更难对付的其实是发射机的噪音。发射机从晶振开始,经过锁相环及其调制器、若干驱动放大器,直到功率放大器,每一级都产生噪音。仅以相位噪音为例,通常,民用中继发射机在偏离发射频率5~10MHz时,拼死能做到-150dBc。如果发射功率为+47dBm,那么在接收频率上的噪音就会高达-103dBm/Hz,或者-60dBm/16kHz。已知中继接收机的灵敏度通常为-120dBm(BW=16KHz时),这就意味着必须提供60dB的隔离,才能让发射机的噪音与接收机的灵敏度持平。如果隔离度小于60dB,那么信号必须比噪音大,也就是比-120dBm高,才可能被收到。除了相位噪声,发射机的其它噪声还会有贡献,实际隔离度要求比60dB高。

下图直观的说明了典型的发射机噪音是如何影响接收机的。
1(1).jpg

由此可以看出,中继站的双工措施,除了要在接收机上抑制掉发射频率的大功率信号,还需要抑制掉发射机在接收频率上的噪音。如果收发各用一根天线,那么两根天线之间的串扰应小于-70dB才能让接收灵敏度达到预期。

-70dB的意思是收发天线相距200米(如果天线增益为0dB,同一高度,无铁塔阻挡)。实际上中继天线增益都很高,如果处于同一水平高度,双方天线增益均为10dB,这个距离将是2公里。拉开天线的垂直距离比拉开水平距离有效得多。在同一个铁塔上,拉开20米的垂直距离就能提供40~50dB的隔离。无论如何,在同一个铁塔上架设天线,不采取别的措施都是不够的,除非中继的发射功率减小到几瓦量级。

图:检测同一楼顶架设的两套天线之间的隔离度。天线垂直高度差:8米,水平距离:40米,两天线都在铁塔相反方向,接收天线上有一只1单元空腔滤波器,有20dB前置放大器,馈线总长180米,损耗约10dB,天线增益0dB。如扣除放大器及馈线影响,隔离度刚好达到70dB。
20161117_022917.jpg


为了能够两根天线共址架设,首先需要选用合理的天线布局。首选方案是铁塔上拉开垂直距离。如果铁塔钢架细密,则最好布置在相对的两侧,利用铁塔阻隔信号。如果是抱杆,则益架设在同侧。这样能够提供至少40dB的隔离。剩下的30dB需要采取额外措施,比如在收发信机上分别安装带通滤波器。根据上文的计算,接收机上安装的滤波器在发射频率上应提供30dB的抑制,发射机上安装的滤波器在接收频率上应提供30dB的抑制。

在UHF频段,偏移5MHz处提供30dB抑制的滤波器其实相当困难。多级螺旋滤波器虽然非常容易做到该指标,但会带来2dB的损耗。空腔滤波器的损耗可以控制在0.5dB每单元,但是如果想一个单元达到30dB的抑制,需要很高的Q值,价格昂贵。值得欣慰的是采用带通滤波器还可以显著防范杂散发射,尤其是发射机互调对接收机的干扰,同时可以防范接收机的杂散响应,综合效益很高。

相对于双天线的复杂和昂贵,使用双工器是最经济且效果可以接受的方案。古代曾有带通型双工器,它的主要优点是抗杂散响应、抗互调,但也存在损耗大,且隔离度并不太理想等问题。当然在投资足够的情况下,可以采用环形器+6只空腔滤波器的带通双工器方案来获得满意的结果。上世纪90年代以后,带阻型双工器取代了带通型双工器,这种双工器在发射通道上抑制接收频率,在接收通道上抑制发射频率,隔离度可以很容易的做到70dB以上,而且只需要一根天线。目前国产双工器的价格已经降低到300元左右,成为工程首选。

图:带阻双工器的阻带特性,可见抑制超过80dB。
双工器的带阻曲线(小).png


相比双天线+带通滤波器的方案,带阻型双工器的损耗依然偏大,在5MHz频差下,损耗通常接近2dB。同时,他仅仅抑制掉了中继站自己的干扰,并不能抵抗外部干扰。当中继站处于复杂电磁环境的城市中心地带时,外部干扰尤其是互调干扰是不可忽视的问题。

中继站的互调干扰主要发生于接收机和天馈线。尽管双工措施能够提供70dB的隔离,但是流入接收机的发射信号依然是一个比较大的值,根据上文计算,可达-20dBm数量级。这样强的信号使接收机的前置放大器和混频器工作状态恶化,当有适当频率的外部干扰进入时,很容易产生刚好落在接收频率上的互调产物。专业中继机的前置滤波器能对抵御互调干扰发生关键作用,而用车台拼装的中继机则无此优势。为了提高抵御接收机互调的能力,可以在使用带阻型双工器的同时,在接收机前再增加一级空腔滤波器。

发射机更可能产生互调产物,但是,由于互调产物通常比较小,带阻型双工器在抑制接收频率的噪音时,也刚好可以把互调产物抑制掉,所以影响并不显著。双天线带通滤波方案中,发射机的滤波器也可以防止发生互调。

天馈线上产生的互调产物无法被双工器抑制,这是因为他们并不流经抑制接收频率的发射端,而是从接收通道长驱直入。但是双天线+带通滤波器方案对天馈线互调却有很好的防御能力。这是因为此时整个接收通道的电平都比较小,工作条件远好于收发共用并传输大功率的单天线方案。

综上,双天线+空腔滤波器方案性能最优,价格也最贵。为了提高性能,应把接收滤波器就近安装在接收天线旁边,随后立即经前置放大器放大,使后面的馈线损耗不再影响灵敏度。采用前置放大器时需根据其线性度指标校核滤波器是否充足,必要时采用两级滤波器。性价比最佳的方案是单天线+带阻双工器,如需提高性能,可以在接收机前再增加一级空腔滤波器。

不论采用什么方案,都应该使用质量上乘的天线、馈管和连接器,提高增益、减小损耗,控制互调的产生。

(本文曾发表于2016年第6期《现代通信》杂志,发表时略有改动)

[修改于 3 年前 - 2017-01-12 11:36:20]

来自 无线电
 

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

插入资源
全部
图片
视频
音频
附件
全部
未使用
已使用
正在上传
空空如也~
上传中..{{f.progress}}%
处理中..
上传失败,点击重试
{{f.name}}
空空如也~
(视频){{r.oname}}
{{selectedResourcesId.indexOf(r.rid) + 1}}
ID:{{user.uid}}
{{user.username}}
{{user.info.certsName}}
{{user.description}}
{{format("YYYY/MM/DD", user.toc)}}注册,{{fromNow(user.tlv)}}活动
{{submitted?"":"投诉"}}
请选择违规类型:
{{reason.description}}
支持的图片格式:jpg, jpeg, png