同一副天线、同一个频率、同一个信号,两台接收机并排摆在桌上:一台里对方的话音清清楚楚,另一台只剩一片沙沙声。你大概会说,肯定是灵敏度不一样。可把两份说明书翻出来一看——都印着“灵敏度优于 0.2μV”,字面上一模一样。
差异藏在别处。天线收来的射频信号,先要被搬到一个方便处理的频率上(变频),再被挑挑拣拣地滤掉一部分(选择性),全程还得尽量别往里掺机器自己的噪声(噪声系数),最后才送到解调器那里把信息取下来。这几个环节里随便哪个掉链子,耳朵里听到的都是同一片沙沙声。
所以这一篇,我们把一台接收机整个摊开,照着说明书上的那些名词挨个做体检。从最末端的解调器开始,一路倒推到架在天线跟前的那只小盒子,看完你就知道“灵敏度 0.1μV”这几个字,到底值多少。
一、解调:把信息从电波上取下来
信号一路奔波到最末一级,就轮到解调器(demodulator)上场。它是接收机的“最后一公里”,前面所有电路的努力,最后都要在这一级变成耳朵听得见的声音。那么挑一只解调器,到底该看什么?
【MC1-0823】选用解调器的主要应考因素是: 正确答案:A(尽量忠实地还原原始调制信号)
答案很朴素:忠实地把原始调制信号还回来。它不负责放大——那是射频和中频放大器的活;不负责提升载频分量;也不负责去“补偿”什么频率偏移。它就像一位翻译,唯一的工作是把对方说的话原样转述,不能带着自己的口音,更不能替人家改词。后面几个选项之所以错,就是因为它们把“放大”“补偿”这些别的环节的职责塞给了翻译官。
调制方式不同,解调器也就分了工。调频(FM,Frequency Modulation)的信息藏在频率的偏移里,要把它取出来得用专门的电路。哪一类电路干这个活?
【MC1-0832】下列哪种电路可以解调 FM 信号? 正确答案:A(鉴频器)
鉴频器(discriminator)。选项里的限幅器是鉴频器的“保镖”——它只把中频信号的幅度削齐,不负责还原信息;乘积检波器是解调单边带和等幅报用的;混频器管的是搬家。这三个各有各的岗位,谁也不能顶替鉴频器。
“鉴频”这两个字,说白了就是把“频率偏离了多少”翻译成“电压变化了多少”。中心频率对应零伏,频率一往上偏就输出正电压,往下偏就输出负电压。翻成书本上的话就是:
【MC1-0833】什么是“鉴频”? 正确答案:A(对调频信号进行解调的过程称为鉴频)
注意它是“解调的过程”,不是“判断频率有没有超标”,也不是“检查频率有没有漂移”。带“鉴”字的还有好几位亲戚,比如鉴相、鉴幅,认准后面那个字——后面跟的是频,验的就是频率。
调幅(AM,Amplitude Modulation)那边,信息藏在幅度里,用的电路换了名字。
【MC1-0834】下列哪一项可以解调 AM 信号? 正确答案:A(检波器)
AM 用检波器、FM 用鉴频器,一一对应。既然名字不同,那“检波”这个动作到底检的是什么?翻回定义看最清楚:
【MC1-0835】什么是“检波”? 正确答案:A(对调幅信号进行解调的过程称为检波)
检波器(detector),也叫包络检波器。老式收音机里一颗二极管加一只电阻一只电容,就是最经典的检波电路:二极管只放行半个周期,电容把高频成分旁路掉,剩下的就是跟着幅度起伏的音频包络。两个字一个字眼,记得成对背——鉴频对调频,检波对调幅。这两组一旦记反,一整片题都会塌方。
解调方式认清了,还得回头看看信号是怎么走到解调器门口的。绝大多数收信机走的是“超外差”这条路,但也有一类干脆不搬频率。这几年做 SDR 的朋友,张口就是“DC 收信机”,这个 DC 又是什么意思?
【MC1-0837】学习现代通信技术或制作业余无线电作品时,我们经常遇到一种工作原理不同于超外差式收信机的“DC 式收信机”。其中,缩写 DC 是指: 正确答案:A(直接变换(Direct-Conversion),即接收到的射频信号在解调之前不做频率变换)
Direct-Conversion,直接变换,也叫零中频(zero-IF)。射频信号不经过中频这一站,直接变到音频或基带。好处很实在:本振和信号同频,镜像频率落在自己身上,镜像干扰这个麻烦自动消失,结构也简单,一块芯片就能搞定。代价也有:本振会从天线漏出去,混频产生的直流偏移会砸在音频上,低频的 1/f 噪声也更难缠。所以 SDR 软件再强,前端硬件这一关照样得下功夫。
那么,超外差机里那个把频率搬来搬去的混频器(mixer),究竟在做什么?
【MC1-0838】接收机和发射机中常见的混频器有什么作用? 正确答案:A(频率变换。将信号的原始频率变换成另一个频率)
混频器是一台搬家车。数学上它就是个乘法器,两个信号一乘,出来的是和频与差频,后面接个滤波器挑一个留下,载波就换了门牌号。这里最要紧的一点是:调制内容一点没变。14MHz 的信号也好,145MHz 的信号也好,最后都被搬到同一个中频上处理——正因为如此,接收机才只需要认真设计一套中频电路,而不是每换一个波段就重做一遍。
把这一节串起来看就清楚了:调制方式决定用哪只解调器(FM 找鉴频、AM 找检波),变频方式决定信号走哪条路(超外差先搬中频,DC 式直接变换),混频器则永远是那个搬家工。三者配合起来,才是一条完整的接收链。前面聊数字电路时提过的“复数乘法混频、求模解调 AM”,其实就是把这一节的硬件活整段搬进了软件——活还是那些活,只是换了个人干。
二、超外差与它的“影子”
超外差(superheterodyne)之所以统治了将近一百年,靠的就是“固定中频(IF,Intermediate Frequency)”这四个字。信号不管原来在哪,搬到一个固定的中频之后,滤波器就能专心把一件事做到极致:窄、陡、多级级联。代价是混频器不挑食——它同时会把两个频率搬进中频,一个是想要的,一个是影子。
先看面板上那个最常用的旋钮。很多机器正面有个带宽选择,2.4kHz、500Hz、250Hz 一档档切过去,它切换的就是中频滤波器的带宽。这个部件防的是哪一类干扰?
【MC1-0840】超外差式业余收发信机的面板上经常设有选择中频滤波器带宽的控制部件。这些中频滤波器所抑制的干扰可以分类为: 正确答案:A(邻近频率干扰)
邻近频率干扰。隔壁频道的信号离你只有两三 kHz,前端那个宽大的预选器根本分不开它们,只能靠中频滤波器的“裙边”把对方按住。CW 用 250Hz、SSB 用 2.4kHz、FM 用十几 kHz,带宽里的每一个数字,对应的都是“隔多远能把它挡掉”。
可影子的麻烦更大。超外差收信机收到信号的频率,比本振高或低一个中频;而另一个“遥相对应”的频率,比本振低或高同样的量,也会经混频落进中频通道,这就是镜像频率干扰(image frequency interference)。
【MC1-0842】超外差式收信机所收信号的频率要比本振频率低(或高)一个中频。然而,比本振频率高(或低)一个中频的另一个遥相对应的信号也可能经混频窜入中频通道,形成“镜像频率干扰”或“镜频干扰”。如果某对讲机的技术规格书给出的 VHF 接收机第一中频为 45.05MHz,那么在 145.00MHz 收到的镜频干扰可能来自: 正确答案:A(235.10MHz 或 54.90MHz)
算给你看。本振可以取高注入,也可以取低注入:
- 高注入:本振 = 145.00 + 45.05 = 190.05MHz。差频 45.05MHz 是想要的信号;而 190.05 + 45.05 = 235.10MHz 的信号,一样能凑出 45.05MHz 的差频,跟着挤进中频。
- 低注入:本振 = 145.00 − 45.05 = 99.95MHz。和频 145.00MHz 是想要的;而 99.95 − 45.05 = 54.90MHz 的信号,同样落进中频。
两条路殊途同归,也可以一步到位:镜像频率永远离工作频率两个中频那么远,145.00 ± 2×45.05,也就是 235.10 与 54.90。换个中频再验一遍。
【MC1-0843】超外差式收信机所收信号的频率要比本振频率低(或高)一个中频。然而,比本振频率高(或低)一个中频的另一个遥相对应的信号也可能经混频窜入中频通道,形成“镜像频率干扰”或“镜频干扰”。如果某对讲机的技术规格书给出 NFM 方式时的第一中频为 47.25MHz,那么在 145.00MHz 收到的镜频干扰可能来自: 正确答案:A(239.50MHz 或 50.50MHz)
同样的式子:2×47.25 = 94.50,145.00 − 94.50 = 50.50MHz,145.00 + 94.50 = 239.50MHz。两个答案一出来,前面那个“为什么第一中频要选到四十多兆”也就有了解释——中频越高,2×IF 越大,影子离本体越远,前端那只预选器(preselector)就越容易在信号进混频器之前把它滤掉。要是中频只有 455kHz,镜像就贴在旁边 910kHz 处,前端再好的滤波器也拿它没办法。这也正是很多机器采用“高中频 + 二次变频”的原因:第一次变频把镜像甩远,第二次变频再把中频降下来,方便做窄带滤波和解调。
三、选择性的两把尺子
选择性(selectivity)说的是一台接收机“挑食”的本事:想听的请进来,不想听的一律拦在门外。有意思的是,干扰离你多远,用的尺子就不一样。
先看最近处。理想的带通滤波器是个标准矩形——通带之内一律放行,通带之外一刀切断。现实中的曲线带着两条斜斜的“裙边”,差得远不远,就看这裙边陡不陡。说明书上给这个指标起了个名字:
【MC1-0825】对于比较考究的接收机,其说明书中常常列出一项“通带矩形系数”或“通带形状系数”指标,是用来描述: 正确答案:A(带通滤波器频率特性曲线两侧斜坡的陡峭程度)
通带矩形系数(shape factor),描述的就是这两条斜坡的陡峭程度。可它跟“矩形波”没有半点关系,也不是在说石英晶体怎么切割——一个说的是滤波器频响的形状,一个说的是信号波形的形状,别被“矩形”两个字带着跑。
那么两个数字怎么比大小?
【MC1-0826】根据说明书给出的技术指标,两台业余无线电接收机在 USB 方式下选择带宽为 2.7kHz 的滤波器时具有不同的“通带矩形系数”。接收机 A 的“60dB 带宽对 6dB 带宽的矩形系数”为 3.8,接收机 B 的为 5。由此可得出结论: 正确答案:A(A 机对邻近频道干扰的抑制能力比 B 机强)
两家都选 2.7kHz 的滤波器,这指的是“下降 6dB 时的带宽”,也就是通带宽度。矩形系数说的是“衰减到 60dB 时,带宽膨胀成了几倍”:
- A 机 2.7 × 3.8 = 10.26kHz
- B 机 2.7 × 5 = 13.50kHz
换句话说,B 机的裙边铺到 13.5kHz 才趴下去,A 机到 10.3kHz 就收住了。隔壁频道那个信号,在 A 机里被压得更狠,所以 A 机抗邻近频道干扰更强。矩形系数越接近 1,曲线越像理想矩形,机器越“挑食”。这个数字要背的话就一句:同样通带下,系数小的赢。
干扰变远,尺子也跟着换。SSB 话音从 300Hz 到 2.7kHz 这一整段频率,在通带里是不是被“一碗水端平”,也属于选择性的范畴:
【MC1-0861】接收机接收 SSB 话音信号时的频响均匀程度可以用选择性指标来表示,分别为: 正确答案:A(带内波动和信道带宽)
带内波动(passband ripple)管的是“平不平”,信道带宽管的是“宽不宽”。带内波动大了,话音听起来就像被捏着嗓子,低音发闷、高音发尖;带宽窄了,声音倒是干净,代价是缺少那点厚度。所以这两项一对,正好把“音质”这件事量了出来。
再把镜头拉远,去看那些离工作频率很远的强干扰——比如旁边山上那部大功率中继台。
【MC1-0862】接收机抗拒相距工作频率较远的强干扰信号的能力可以用选择性指标来表示,分别为: 正确答案:A(前端带宽)
这时候中频滤波器插不上手了,因为干扰还没走到中频就被混频器搬了过来——真正在门口站岗的是前端(front end):预选器、前端带通滤波器、射频放大器的线性度。前端带宽宽,宽带强信号一起涌进来,轻则把增益压下去(阻塞),重则在你想要的频率上互调出假信号。所以“前端带宽”这一项,衡量的就是扛远处强干扰的本事。
还有一种干扰,位置很特殊:它离工作频率两倍中频那么远——正是刚才算过的镜像位置。
【MC1-0863】接收机抗拒相距工作频率两倍于中频的强干扰信号的能力可以用选择性指标来表示,分别为: 正确答案:A(镜像抑制比)
镜像抑制比(image rejection ratio)。这个指标衡量的是前端和混频电路把“影子”压掉了多少分贝。三把尺子摆在一起,一条完整的防线就出来了:近处靠中频滤波器(矩形系数、带内波动与信道带宽),远处靠前端带宽,两倍中频处靠镜像抑制比。
实战里怎么用这三把尺子?比赛日的 40 米波段挤成一锅粥,你要挑一台能抄弱信号的机器,得连着看几行:中频滤波器能不能切到 500Hz 甚至 250Hz,裙边够不够陡,这决定你能不能贴着邻居的屁股抄报;前端带宽和动态范围够不够,这决定旁边那些千瓦级大台会不会把你堵死。挑弱信号和抗强信号,本来就是两种本事,说明书上也分列成两组数字——只盯着“灵敏度”那一行挑机器,十有八九要吃亏。
四、调频那点脾气
调频机的脾气,跟调幅机完全是两回事。用惯了 AM 的人第一次上车台,多半会干一件事:看对方声音大小来判断信号强弱——这恰恰是 FM 上最容易犯的错。
【MC1-0828】进行 FM 话音通联时,我们能否单凭接收机中传出的对方的声音大小来准确判断对方的信号有多强? 正确答案:A(不能。鉴频器所解调的声音,其大小仅取决于中频信号的频偏,与中频信号的幅度无关。况且,中频信号在进入鉴频器之前早已被限幅电路切齐,已无法鉴别强弱)
不能。鉴频器是“量频率”的,不是“量幅度”的:解码出来的声音大小,只跟中频信号的频偏有关,跟幅度一点关系都没有。更要命的是,中频信号进鉴频器之前,早被限幅器一刀一刀切成了方波,幅度信息在那一步就丢干净了。这其实正是 FM 抗噪的看家本领——幅度噪声连同干扰一起被削平;代价就是你没法再从音量里读出对方有多强。想知道对方的信号强度,得靠专门的信号强度指示电路去量限幅之前的中频电平。
第二桩怪事,是把 FM 分成“窄带”和“宽带”两种以后才有的:对讲机上的 NFM,收音机上的 WFM,两者带宽差了十倍不止。窄带机去收宽带信号会怎样?
【MC1-0829】用设置在 NFM 方式的对讲机接收 WFM 信号,效果为: 正确答案:A(可以听到信号。如果调制信号幅度较大或音调较高,会听到明显的非线性失真)
能听到,但难听。WFM 广播的频偏标准是 ±75kHz,占用带宽一百多千赫;而 NFM 的中频带宽通常只有十几千赫。宽信号挤进窄通道,两侧的边带被滤波器切掉,鉴频器又只能线性处理 ±5kHz 左右的偏移,超出范围的部分就被“削顶”,于是出现明显的非线性失真。像开着两米宽的车硬挤两米宽的桥洞——过是过得去,车身刮得不成样子。反过来呢?
【MC1-0830】用设置在 WFM 方式的对讲机接收 NFM 信号,效果为: 正确答案:A(可以正常听到信号,只是声音比较小)
反过来反而没事。窄信号进宽通道,一点不挤,只是频偏小、鉴频出来的音频电压也小,所以“能听清,就是声音轻”。这一对结论最好成对记:宽收窄,声音小;窄收宽,会失真。方向一反,答案就全反。
第三桩怪事,是静噪旋钮拧开之后那阵“哗——”的沙沙声。没信号时它反而最响,一有信号就消失,这里头的道理值得掰扯清楚地:
【MC1-0831】没有信号时,调频接收机会输出一种强烈的沙沙声。关于这种噪声,以下描述正确的是: 正确答案:A(天线收到的 QRN 与机内电路的固有噪声共同构成一种随机信号。该信号的随机相位变化经鉴频形成强烈的沙沙声。只是,该信号的随机幅度变化与沙沙声没有关系)
沙沙声是两个来源凑出来的:天线收进来的天电噪声 QRN,加上机内电路的固有噪声。它们合起来就是一个随机信号。关键在于鉴频器“翻译”的是什么——它翻译的是频率和相位,所以这个随机信号的相位抖动被它一比一翻译成了音频里的沙沙声;幅度那部分早在限幅器那里被切平了,跟沙沙声没有关系。这也解释了静噪(squelch)为什么能工作:无信号时噪声最大,一有载波,限幅器有了东西可切,噪声骤降,静噪电路就是靠这“一下子的安静”判断该不该开门。
五、灵敏度与噪声
终于到了说明书上最显眼的那一项:灵敏度。它到底在讲什么?
【MC1-0865】用功率电平表示接收机的灵敏度具有什么意义?常用单位是什么? 正确答案:A(输出信号达到一定质量标准时输入信号的最小功率电平。单位是 dBm 或 dBμW)
三个要素,缺一不可:第一,“最小”的输入信号;第二,输出要“达到一定质量标准”;第三,单位是 dBm 或 dBμW 这类功率电平。第二点尤其容易被人忽略。所谓质量标准,可以是“输出信噪比 12dB”,可以是“SINAD 达到 12dB”,也可以是“静噪电路刚好打开”。同一台机器换一个质量标准,灵敏度数字能差好几个 dB。
这也解释了一个老话题:为什么 S 表的 S1 刻度在 HF 和 VHF/UHF 上不一样?
【MC1-0867】业余无线电接收机大多具备信号强度指示功能。在 VHF/UHF 频段,信号强度的最小刻度S1 与输入信号功率电平-141dBm(50Ω上的电压电平 0.02μV)相一致;而在 HF 频段,S1 则与-121dBm 的输入信号(50Ω上的 0.2μV)相对应。这是因为: 正确答案:A(HF 频段的背景噪声较 VHF/UHF 频段为高,使得可感知最小信号电平相应高出约 20dB)
HF 频段的背景噪声天生就高。夏天的 80 米波段,底噪常年挂在 S5 到 S7,城市里的开关电源、LED 灯、宽带路由器再往上添一把火;而 144MHz 以上,周围常常安静得多。既然 HF 上根本听不见 -141dBm 那么弱的信号,把 S1 定在那里就没有意义,干脆整体抬高 20dB。数字也对得上:电压从 0.02μV 到 0.2μV 差十倍,20lg10 = 20dB。以后看到“S1 是 -121 还是 -141”这类题,抓“HF 底噪高”这一条主线就够了。
既然灵敏度必须带条件,那说明书上孤零零的一个数字能拿来比大小吗?
【MC1-0868】甲乙两种型号的业余无线电收发信机在技术规格中给出的接收机灵敏度指标分别为 0.1μV 和 0.15μV。关于该指标,正确的推论是: 正确答案:A(无法比较二者接收微弱信号的能力,测量灵敏度时所用的输出信号质量标准未知)
不能比。0.1 比 0.15 小,很多人一眼就判“甲机更灵敏”,可这两台机器测量时用的输出质量标准,说明书里未必写出来——说不定甲机是在 12dB SINAD 下量的,乙机是在 20dB 静噪开启灵敏度下量的,那“0.15μV”反而更实在。就像两个人说“我能扛一百斤”,一个说的是走五十米,一个说的是挪一步,光看数字没法比。
好,条件统一之后,把 μV 换成 dBm,这就到了真正要动手算的地方。
【MC1-0870】当输出信号满足规定质量标准时,在输入阻抗为 50 欧的某接收机天线输入端口处测得的输入信号最小电压为 1μV。如果用功率电平 dBm 表示该机的灵敏度,则为: 正确答案:A(-107dBm)
算式老老实实写一遍。功率等于电压平方除以电阻:
P = U² / R = (1×10⁻⁶)² / 50 = 2×10⁻¹⁴ W
换成毫瓦,就是 2×10⁻¹¹ mW。再用 dBm 的定义 P(dBm) = 10lg(P/1mW):
10 × lg(2×10⁻¹¹) = 10 × (0.301 − 11) = −106.99 ≈ −107dBm
记下这条锚线,后面全能用:50Ω 上 1μV,就是 -107dBm。顺手一推,0.02μV 是 -141dBm、0.2μV 是 -121dBm、0.5μV 是 -113dBm,跟刚才 S 表那道题的数字严丝合缝。
同一道题,如果问的不是功率而是电压呢?
【MC1-0871】当输出信号满足规定质量标准时,在输入阻抗为 50 欧的某接收机天线输入端口处测得的输入信号最小电压为 1μV。如果用电压电平 dBμV 表示该机的灵敏度,则为: 正确答案:A(6dBμV)
电压电平的定义是 U(dBμV) = 20lg(U/1μV),参考点是 1μV。照着这个定义,端口上量到 1μV 似乎该写 0dBμV——选项 D 就在那儿等着。可官方答案给的是 6dBμV,20lg2 = 6.02,这 6dB 对应的正好是 2μV,多出来的一倍从哪来?
从信号源的内阻来。测量灵敏度时,信号发生器的输出内阻是 50Ω,接收机输入阻抗也是 50Ω,源和负载一分压,端口上只拿到电动势(EMF,Electromotive Force)的一半。换句话说,要让端口上出现 1μV,信号源得给出 2μV 的电动势。题里问的“电压电平”,是照信号源那一侧标的——这也是早年仪器说明书的习惯写法。所以这里的锚线要注意方向:2μV(源电动势)= 6dBμV,对应的端口电压是 1μV,也就是 -107dBm;而如果严格只按端口电压算,1μV 才是 0dBμV。同一道题的题干一字不差,问功率电平走端口,问电压电平走源端,这是本组换算题最阴的一处。
这个“电动势与端口差一倍”的口径,解释下面两道题就顺了。
【MC1-0875】已知某接收机的天线输入阻抗为 50Ω,灵敏度指标为 2μV,则功率电平相应为: 正确答案:A(-107dBm)
题给的“灵敏度指标 2μV”是信号源的电动势,进到端口只剩一半,也就是 1μV。于是又是那条锚线:
P = (1×10⁻⁶)² / 50 = 2×10⁻¹⁴ W = 2×10⁻¹¹ mW 10 × lg(2×10⁻¹¹) = −106.99 ≈ −107dBm
注意这里和上一题的关系:0875 的“2μV”与 0871 的“6dBμV”,说的其实是同一件事——端口上 1μV。
【MC1-0876】已知某接收机的天线输入阻抗为 50Ω,灵敏度指标为 1μV,则功率电平相应为: 正确答案:A(-113dBm)
指标 1μV 同样是电动势,端口上只有 0.5μV:
P = (0.5×10⁻⁶)² / 50 = 5×10⁻¹⁵ W = 5×10⁻¹² mW 10 × lg(5×10⁻¹²) = 10 × (0.699 − 12) = −113.01 ≈ −113dBm
四条锚线排在一起,这组题就再也不会错了:
- 源电动势 1μV → 端口 0.5μV → -113dBm
- 源电动势 2μV → 端口 1μV → -107dBm,也就是 6dBμV
- 端口 1μV → -107dBm,按端口定义的电压电平是 0dBμV
那灵敏度到底卡在哪里?为什么现在的机器做不到无限灵敏?
【MC1-0877】制约现代无线电接收机灵敏度的主要因素是: 正确答案:A(机内噪声)
机内噪声。放大器的增益可以做到很高,稳定性可以调得很好,电源噪声也有办法滤,但机器自己的热噪声、器件的散粒噪声去不掉——放大的同时,噪声也在被放大。灵敏度的极限就是“信号弱到跟机内噪声一样大”的那个点。好比你想听见一根针落地,前提是房间里本身足够安静;房间里要是开着空调,你的听力再好也没用。
衡量“信号比噪声大多少”,用的就是信噪比。
【MC1-0878】术语“信噪比(SNR)”在业余无线电领域广为使用。它是指: 正确答案:A(有用信号功率对噪声功率的比值)
信噪比(SNR,Signal-to-Noise Ratio)是有用信号功率对噪声功率的比值——是功率之比,不是电压之比,也不是“信号功率除以信号加噪声”。一提到“信号功率占信号加噪声的比例”,那说的是另一个概念,名字像、意思不一样。
顺手把分贝的感觉校准一下:功率差 1dB 大约是 26%,3dB 是翻一倍,10dB 是十倍。要是拿电压来说,同样 3dB 只对应 1.41 倍,所以电压得差到两倍,功率才翻一番——这就是 6dB 的来历。S 表上每格 6dB,从 S1 爬到 S9 是八格 48dB,换算成功率就是六万多倍,难怪想把一个 S3 的信号弄成 S9,加多少功率都像往井里扔石头。
接收机自己会往信号里掺多少噪声,用一个专门的名字来量。
【MC1-0879】对于需要接收微弱信号的业余通信,例如 EME 通联,接收机的噪声系数 Fn(以比值的形式表示)是一项重要技术指标。它是指: 正确答案:A(接收机输入端信噪比 Si/Ni 对输出端信噪比 So/No 的比值)
噪声系数(Fn,Noise Factor)等于输入端信噪比 Si/Ni 除以输出端信噪比 So/No。逻辑很直白:一个完美无噪声的放大器,进出信噪比一样,比值是 1;一旦它自己往信号里掺噪声,输出端的信噪比必然变差,比值就大于 1。所以这个比值越大,说明机器越“吵”。
【MC1-0881】对于需要接收微弱信号的业余通信,例如 EME 通联,接收机的噪声系数 Fn(以比值的形式表示)是一项重要技术指标。关于 Fn 的一些基本常识是: 正确答案:A(Fn 一定大于 1;在同样的灵敏度下,Fn 越接近 1 越好)
结论对上一条的推论:Fn 一定大于 1,越接近 1 越好。它不可能小于 1,因为热力学不允许放大器凭空把信噪比变好;也不可能“越大越好”,那等于说机器越吵越棒。
比值写起来不方便,取个对数就顺手了。
【MC1-0882】对于需要接收微弱信号的业余通信,例如 EME 通联,接收机的噪声指数 NF(以对数表示)是一项重要技术指标。它是指: 正确答案:A(接收机输入端信噪比 Si/Ni 对输出端信噪比 So/No 的比值的对数形式)
噪声指数(NF,Noise Figure)就是 Fn 的对数形式:NF = 10lg(Fn)。同一个东西,一个用倍数说,一个用分贝说。
【MC1-0883】对于需要接收微弱信号的业余通信,例如 EME 通联,接收机的噪声指数 NF(以对数表示)是一项重要技术指标。关于 NF 的一些基本常识是: 正确答案:A(NF 一定大于 0;在同样的灵敏度下,NF 越接近 0 越好)
Fn 大于 1 取对数,NF 就大于 0dB,越接近 0 越好。举个数:NF = 0.5dB 的机器,Fn = 10^0.05 ≈ 1.12,意思是它把信噪比弄差了大约 12%;而 NF = 3dB,意味着它掺进去的噪声跟输入噪声一样多,信噪比直接砍半。EME 玩家为什么愿意为 0.2dB 的差别排队等货,看的就是这个。
还有第三种说法,用温度来表示噪声。
【MC1-0884】在无线电通信领域中,描述信号源、放大器或接收机等设备或系统组件的内部噪声大小时常用“噪声温度”指标。以接收机为例,等效噪声温度 Te 的意义是: 正确答案:A(接收机的内部噪声功率等于一个接在天线输入端的优质匹配电阻在产生相同的热噪声功率时该电阻所具有的绝对温度)
等效噪声温度(Te,Equivalent Noise Temperature)的意思是:把接收机的内部噪声功率,换算成一只接在天线输入端的“理想匹配电阻”要处在多高的绝对温度,才能产生同样大的热噪声功率。它不是在说机箱里几度,也不是说电阻会真的发热到那个温度,而是把噪声折算成一个等效的温度,方便跟天线噪声温度放在同一把尺子上比较。两者还能互相换算:Te = (Fn − 1) × 290K。
极限在哪儿?如果一台机器一点噪声都不产生呢?
【MC1-0885】不产生任何内部噪声的理想放大器或接收机的噪声系数 Fn、噪声指数 NF 和噪声温度 Te分别为: 正确答案:A(1,0dB,0°K)
理想放大器:Fn = 1,NF = 0dB,Te = 0°K。三个数是一回事的三种写法——信噪比一点不变差,掺进去的噪声为零,等效温度当然是绝对零度。B 选项那个“0,0dB,-273°K”最像陷阱,把 Fn = 0 和 Te = -273℃ 硬凑在一起;记住 Fn 是比值,比值不可能为 0,Te 是绝对温度,不可能为负。
这一章最后,补一个天天用、却常被跟灵敏度搅在一起的概念。
【MC1-0880】接收机的静噪灵敏度是指: 正确答案:A(能够使静噪电路退出静噪状态的射频信号最小输入电平)
静噪灵敏度(squelch sensitivity)说的是:信号弱到什么程度以下,静噪电路就关不上嘴了——具体定义是“能够使静噪电路退出静噪状态的最小射频输入电平”。它跟“关掉静噪之后按灵敏度定义测出来的灵敏度”完全是两码事。实用上也好理解:静噪旋钮拧得太松,弱信号进不来你听得见的范围;拧得太紧,机器就一直哗哗响。所以中继台的弱信号经常要先把静噪开小一点才能抄收。
六、把微弱信号从噪声里捞出来
前面说了,灵敏度卡在机内噪声上。可别忘了一件事:机内噪声并不全是放大器的错,天线到机器之间那段馈线,也在贡献噪声,而且它的贡献方式很霸道——馈线的损耗会直接加到整机噪声系数上。馈线损失 3dB,整机 NF 就至少多 3dB,前面放大器再优秀也补不回来。所以弱信号场合的第一个动作,是把放大器搬到馈线前面去。
【MC1-0912】在 EME 通信等需要接收极微弱信号的场合,安装前置放大器时应做到: 正确答案:A(尽量安装在靠近天线的地方,信号特别微弱时对放大器进行冷却以降低热噪声)
尽量靠近天线,也就是装在馈线之前。信号还没被馈线吃掉之前就放大,后级和馈线的噪声贡献被前级的高增益压下去(这就是级联噪声里“第一级说了算”的道理)。至于“冷却”,也不是玩笑:导体热噪声跟绝对温度成正比,把放大器冷下来,热噪声确实会小一点——射电天文台那些液氮、液氦冷却的前置放大器就是干这个的。至于选项里“靠近接收机”“加热”“正反馈提高增益”,全是反着来的:靠近接收机等于让信号先过一遍馈线;加热只会更吵;正反馈换来的是自激,不是增益。
那为什么 HF 玩家很少这么干?
【MC1-0913】对于需要接收 VHF/UHF 微弱信号的通信场景,比如月面反射实验,爱好者们时常需要在所用八木天线的馈电端处就近加装低噪声前置放大器。相比之下,HF 通信爱好者却很少将他们所用的前置放大器装在八木天线或其他收信天线的馈电点处。这是因为: 正确答案:A(VHF/UHF 频段的背景噪声较 HF 频段为低。将放大器置于接收天线处可降低传输线固有噪声的影响,提高收信信噪比。而对于 HF 频段,是否这样做,差别并不明显)
答案的钥匙还是“底噪”。VHF/UHF 频段的背景噪声低,一台 NF 0.5dB 的机器和一段 2dB 损耗的馈线,差别在链路预算里清晰可见,所以把低噪声前置放大器(LNA,Low Noise Amplifier)顶到天线端,效果立竿见影——144MHz 的 EME,对方信号常常是 -150dBm 上下,每一 dB 都要抠。HF 完全相反:80 米波段的底噪本来就压过机内噪声十几二十个 dB,天电噪声和城市人为噪声才是主角,你就算在馈电点装一只 NF 0.3dB 的放大器,也只是把“已经很吵的噪声”放大了一遍,信噪比纹丝不动。这一条规律很实用:天线端的噪声温度本来就高的时候,追求超低噪声前端是白费力气;只有当外部噪声低于机内噪声,前端才值得下本钱。
七、从频谱认信号
体检做完,最后来练一双眼睛。现在的中档以上电台都带频谱图和瀑布图,屏幕上一条条竖线跳来跳去,看着热闹,其实每一种模式都有自己的“指纹”。认得出指纹,你就知道这一段频率上有人在干什么。
两种图各看各的:频谱图横轴是频率、纵轴是幅度,看的是“此刻”;瀑布图把时间也铺成一条轴,颜色深浅表示强弱,看的是“这一段”。两相对照,一个信号是按电键断续、是两路交替、还是整片铺开,几秒钟就能分辨出来。
【MC1-0902】一个 CW 信号的频谱表现为: 正确答案:A(一条闪动的垂直线)
等幅报(CW)就是一段被键控开合的单频载波:按下电键,频谱上冒出一根竖线;松开,它就消失。所以是“一条闪动的垂直线”。它占的带宽极窄,几百赫兹以内,这也是 CW 能在噪声里钻出来的原因。
【MC1-0903】一个 RTTY 信号的频谱表现为: 正确答案:A(两条闪动的垂直线)
RTTY 用的是移频键控(FSK),两个频率分别代表“传号”和“空号”。所以频谱上是两根竖线,随码流交替闪动,间隔通常是 170Hz。一根变两根,是 RTTY 最好认的特征。
【MC1-0904】一个 SSB 话音信号的频谱表现为: 正确答案:A(一组随语音出现和变化的非对称垂直线)
单边带(SSB)把载波和一个边带都去掉了,只留一个边带。所以频谱上只看到一组随说话起伏的竖线,而且左右不对称——载波那根基准线根本不在。听 SSB 时调偏几十赫兹,声音就变成“唐老鸭”,根子就在这里。
【MC1-0905】一个 AM 话音信号的频谱表现为: 正确答案:A(一条固定的垂直线,左右对称伴随一组随语音出现和变化的垂直线)
调幅(AM)的载波始终在发射,所以有一根固定不动的竖线杵在中间;载波两侧对称地长出上、下两个边带,随语音一起出现和变化。载波加对称双边带,这就是 AM 的指纹。也正因为那根“只出力不干活”的载波占了大半功率,AM 才显得效率不高。
【MC1-0906】一个 FM 话音信号的频谱表现为: 正确答案:A(一条随语音变化高度的垂直线,左右对称伴随一组随语音出现和变化的垂直线)
调频(FM)的频谱很像 AM:中间一根载波,两边一堆对称的边带。区别就在那根载波的高度——调频的载波幅度会随着调制指数上下起伏(数学上是贝塞尔函数在起作用),有时甚至会被压到几乎看不见;AM 的载波则从头到尾稳如泰山。一句话记住:中间的线会不会动,是区分 AM 和 FM 频谱的窍门。
【MC1-0907】一个 PSK31 信号的频谱表现为: 正确答案:A(一个宽度很窄的单峰)
PSK31 的波特率是 31.25,码元速率和带宽几乎一样窄,所以它的频谱就是一个窄窄的单峰,宽度只有几十赫兹,跟 CW 挤在一起也能共存。它没有载波线,也没有成排的边带——这个“孤零零的窄峰”,就是它在瀑布图上的样子。
结语
这一篇,我们把一台接收机从尾巴查到了头顶。解调这一关,认准两个词:鉴频对调频、检波对调幅;DC 收信机直接变换、混频器专管搬家。超外差好用,代价是镜像——记住“镜像频率 = 工作频率 ± 2×IF”,145.00MHz 配 45.05MHz 中频,影子就在 235.10 和 54.90。选择性有三把尺子:近处看中频滤波器的矩形系数、带内波动和信道带宽,远处看前端带宽,两倍中频处看镜像抑制比。调频机的脾气是:声音大小不代表信号强弱,宽收窄声音小、窄收宽会失真,静噪靠的就是无信号时那片沙沙声。灵敏度的核心是几条锚线——50Ω 上 1μV 对应 -107dBm,0dBμV 是 1μV,而灵敏度指标里的“μV”多是信号源的电动势,进到端口只剩一半,所以 2μV 标称就是 -107dBm、1μV 标称就是 -113dBm。再往上,噪声系数、噪声指数、噪声温度是同一件事的三种说法,理想机器是 1、0dB、0°K。要把弱信号捞出来,LNA 得装在馈线之前;最后,打开频谱图,一条闪动的竖线是 CW,两根是 RTTY,不对称的一群是 SSB,带不动载波的是 AM、载波会上下动的是 FM,孤零零一个窄峰是 PSK31。
机器这边查完了,还有一件事没算账:信号从电台出来,到天线,再沿着馈线跑上天线振子,中间每一步都要“抽税”。为什么同一台机器换一副天线,通联效果天差地别?增益的 dBi 和 dBd 差在哪?驻波表上那个 1.5 到底扣掉多少功率?天调到底是真把天线调好了,还是只把机器哄高兴了?EIRP 又该怎么算?下一篇,我们顺着馈线往上爬,聊聊天线与馈线进阶——增益、极化、驻波和 EIRP。跟着题库,我们下一站见。