通信接收机原理与设计(第4版)

本书主要介绍了通信接收机的主要功能部件、接收机系统设计以及性能折中。全书包括：接收机系统结构、信号与调制技术、射频级、射频混频器、窄带接收机、数字化接收机、采样与模数转换器、数字滤波器、数模转换器、直接数字转换器、扩频技术、干扰DSSS接收机、干扰FHSS接收机、干扰THSS接收机等。

接收机是通信系统的核心设备。本书主要介绍了通信接收机的主要功能部件、接收机系统设计以及性能折中。全书包括：接收机系统结构、信号与调制技术、射频级、射频混频器、窄带接收机、数字化接收机、采样与模数转换器、数字滤波器、数模转换器、直接数字转换器、扩频技术、干扰DSSS接收机、干扰FHSS接收机、干扰THSS接收机等。

Ulrich L. Rohde，教授、有教学资格的工学博士，墨尼黑Rohde&Schwarz公司合伙人，新泽西帕特森Synergy微波公司总裁。其业务领域为微波CAD技术和微波器件研发与制造。他尤为感兴趣的领域为低噪声高线性微波晶体振荡器、放大器和有源天线。他出版了6本专著，发表了100多篇经同行评议的论文，拥有约50项专利，得到过众多靠前奖项。

第1章 基础无线电讨论 1 1.1 引言 1 1.1.1 软件定义无线电（SDR）的定义 3 1.2 无线电系统的新领域 3 1.2.1 5G基本原理 4 1.2.2 展望未来 8 1.3 无线电通信系统 8 1.3.1 无线电传输与噪声 13 1.4 调制 16 1.4.1 模拟调制 18 1.4.2 数字信号的调制 23 1.5 数字信号处理 32 1.5.1 模-数（A/D）转换 33 1.5.2 数-模（D/A）转换 35 1.5.3 转换器的性能标准 37 1.5.4 信号的序列处理 38 1.5.5 数字滤波器 42 1.5.6 非线性处理 47 1.5.7 抽取和内插 49 1.5.8 DSP硬件和开发工具 51 1.6 无线电接收机架构 52 1.6.1 超再生接收机 53 1.7 典型的无线电接收机 58 1.7.1 模拟接收机设计 58 1.7.2 混合模式的MFSK通信系统 60 1.7.3 PLL的CAD模拟 63 1.7.4 软件定义无线电系统 65 1.7.5 设计示例：EB500监测接收机 75 1.8 参考资料 76 1.9 参考书目 78 1.10 建议扩展阅读 81 第2章 无线电接收机特性 82 2.1 引言 82 2.2 无线电信道 82 2.2.1 信道冲激响应 84 2.2.2 多普勒效应 88 2.2.3 转移函数 89 2.2.4 信道冲激响应与转移函数 90 2.3 无线电系统的实现 91 2.3.1 输入特性 92 2.3.2 增益、灵敏度和噪声系数 92 2.4 选择性 97 2.5 动态范围 98 2.5.1 降敏 99 2.5.2 AM交叉调制 100 2.5.3 IM 100 2.6 倒易混频 102 2.6.1 相位误差 106 2.6.2 误差向量幅度 106 2.7 虚假输出 108 2.8 增益控制 109 2.9 BFO 112 2.10 输出特性 112 2.10.1 基带响应与噪声 112 2.10.2 谐波失真 113 2.10.3 互调失真 114 2.10.4 瞬态响应 114 2.11 频率精度和稳定度 114 2.12 频率稳定时间 116 2.13 电磁干扰 118 2.14 数字接收机特性 119 2.14.1 误码率（BER）测试 119 2.14.2 发射和接收质量 120 2.15 参考文献 122 2.16 参考书目 122 第3章 接收机系统规划 123 3.1 接收机电平规划 123 3.2 NF计算 125 3.2.1 级联电路的噪声系数 126 3.3 使用相关矩阵的线性两端电路的噪声相关性 127 3.3.1 噪声系数测试设备 131 3.3.2 如何确定噪声参数 132 3.4 线性 133 3.4.1 动态范围、压缩和IMO 133 3.4.2 分析 137 3.5 IF计算 144 3.5.1 NF和IP计算示例 146 3.6 杂散响应位置 146 3.6.1 D-H迹线 151 3.7 选择性 153 3.7.1 单调谐电路 153 3.7.2 耦合谐振对 154 3.8 复杂滤波器特性 156 3.8.1 巴特沃斯选择性 156 3.8.2 切比雪夫选择性 158 3.8.3 汤普森或贝塞尔选择性 159 3.8.4 等纹波线性相位 160 3.8.5 过渡滤波器 161 3.8.6 椭圆滤波器 162 3.8.7 特殊设计和相位均衡 162 3.9 滤波器设计实现 163 3.9.1 LC滤波器 163 3.9.2 电谐振器 163 3.9.3 机电滤波器 166 3.9.4 石英晶体谐振器 166 3.9.5 单片晶体滤波器 166 3.9.6 陶瓷滤波器 166 3.10 时间采样滤波器 167 3.10.1 离散傅里叶变换和z变换 168 3.10.2 离散时间采样滤波器 169 3.10.3 模拟采样滤波器实现 170 3.11 数字处理滤波器 172 3.12 频率跟踪 175 3.13 IF和镜像频率抑制 179 3.14 电子调谐滤波器 180 3.14.1 二极管性能 180 3.14.2 VHF示例 182 3.15 参考文献 183 3.16 建议扩展阅读 185 第4章 接收机的实现 186 4.1 引言 186 4.2 接收机功能的数字化实现 186 4.2.1 数字接收机设计技术 191 4.2.2 噪声计算 196 4.2.3 噪声消除 197 4.2.4 谱减法（Spectral Subtraction） 199 4.3 扩频技术 199 4.3.1 基本原理 200 4.3.2 跳频接收机 204 4.3.3 直接序列扩频接收机 206 4.3.4 性能 209 4.4 系统性能仿真 209 4.4.1 频谱占用度（Spectrum Occupancy） 210 4.4.2 网络响应 212 4.4.3 媒质预测（Medium Prediction） 214 4.4.4 系统仿真 215 4.4.5 HF媒质模拟 216 4.4.6 简单仿真 219 4.4.7 仿真应用 223 4.5 参考文献 223 4.6 参考书目 226 4.7 建议扩展阅读 226 第5章 软件定义无线电原理与技术 227 5.1 引言 227 5.1.1 软件定义无线电的一般概念 227 5.1.2 组成部分（模拟单元、DSP、FPGA） 228 5.1.3 关于DSP 229 5.2 RF前端结构 230 5.2.1 超外差接收机 230 5.2.2 直接变频接收机 232 5.2.3 数字化中频接收机设计 233 5.2.4 直接采样接收机 233 5.2.5 宽带接收机设计 236 5.2.6 多载波接收机设计 237 5.3 射频前端设计考虑 239 5.3.1 接收机链路预算 239 5.3.2 模数转换器 240 5.3.3 动态范围 245 5.3.4 镜像抑制 247 5.3.5 RF预选 249 5.4 数字前端实现 250 5.4.1 数字下变频 250 5.4.2 数控振荡器 251 5.4.3 抽取和信道滤波 253 5.4.4 自动增益控制 263 5.4.5 IQ失配消除 264 5.5 基带处理 265 5.5.1 解调（AM/PM） 265 5.5.2 同步――频率偏移和采样频率偏移的校正 266 5.5.3 音频处理的自动增益控制 267 5.5.4 噪声抑制器 269 5.5.5 S仪 270 5.6 SDR实现示例 270 5.7 参考资料 272 5.8 参考书目 273 5.9 文献 273 5.10 建议扩展阅读 274 第6章 SDR收发信机设计 275 6.1 引言 275 6.2 体系结构 275 6.2.1 I/Q调制器 276 6.2.2 自适应发射机预失真 278 6.2.3 功率增强技术 285 6.3 收发信机的实现示例 286 6.3.1 AD9364射频收发器 287 6.3.2 收发系统实现 290 6.4 参考文献 291 6.5 建议扩展阅读 291 第7章 天线与天线系统 292 7.1 引言 292 7.1.1 基本原理 292 7.2 天线耦合网络 297 7.3 天线到调谐电路的耦合 299 7.4 小天线 300 7.4.1 鞭天线 301 7.4.2 环形天线 302 7.5 多单元天线 308 7.5.1 对数周期天线 308 7.5.2 八木宇田天线 308 7.5.3 反射天线 309 7.5.4 阵列天线 309 7.5.5 相控阵天线系统 309 7.6 有源天线 310 7.6.1 应用讨论 311 7.7 分集接收 318 7.8 自适应接收处理 324 7.8.1 自适应天线处理 325 7.8.2 自适应均衡器 330 7.8.3 时间选通均衡器 333 7.8.4 链路质量分析 337 7.8.5 自动链路估计 338 7.9 参考资料 339 7.10 参考书目 340 7.11 建议扩展阅读 341 第8章 混频器 342 8.1 引言 342 8.1.1 关键术语 343 8.2 无源混频器 345 8.3 有源混频器 352 8.4 开关混频器 355 8.5 基于IC的混频器 357 8.5.1 吉尔伯特单元混频器 359 8.5.2 吉尔伯特单元性能分析 361 8.6 宽动态范围转换器 365 8.6.1 处理增益 367 8.7 混频器设计注意事项 367 8.7.1 混频器实现示例 370 8.8 参考资料 372 8.9 建议扩展阅读 374 8.10 产品资源 375 第9章 频率源和频率源控制 376 9.1 引言 376 9.1.1 主要术语 377 9.2 锁相环频率合成器 378 9.2.1 2型2阶环 380 9.2.2 使用三态鉴相器的数字环路瞬态行为 383 9.2.3 实际的PLL电路 393 9.2.4 小数分频频率合成器 394 9.2.5 杂散抑制技术 396 9.2.6 频率合成器中的噪声 401 9.2.7 实际离散元件举例 408 9.3 锁相环系统的噪声与性能分析 417 9.3.1 设计步骤 417 9.4 多环频率合成器 421 9.5 直接数字频率合成器 423 9.6 单片PLL系统 425 9.7 数字波形合成器 427 9.7.1 系统考虑 429 9.7.2 相位累加器合成器的调制 434 9.7.3 基于RAM的合成法 434 9.7.4 应用 438 9.7.5 方法汇总 438 9.7.6 信号质量 440 9.8 Colpitts振荡器 441 9.8.1 线性方法 442 9.8.2 线性S参数方法 444 9.8.3 基于时域的晶体管非线性分析 446 9.8.4 选择正确的晶体管 448 9.8.5 一个350 MHz固定频点Colpitts振荡器设计实例 448 9.8.6 总结 464 9.9 频率源器件应用实例 464 9.9.1 AD9102波形发生器 464 9.9.2 ADF4355宽带频率合成器 466 9.10 参考文献 467 9.11 建议扩展阅读 470 9.12 产品资源 473 第10章 接收机辅助电路 474 10.1 引言 474 10.2 放大器和增益控制 474 10.2.1 放大器件和电路 475 10.2.2 宽带放大器 478 10.2.3 带反馈的放大器 481 10.2.4 放大器增益控制 489 10.3 解调和解调器 504 10.3.1 模拟解调 504 10.3.2 数字数据解调 524 10.4 噪声限幅和消隐 533 10.4.1 平衡器 535 10.4.2 噪声限幅器 535 10.4.3 脉冲噪声消隐器 536 10.5 静噪电路 538 10.6 自动频率控制（AFC） 541 10.7 现代组件实现的例子 542 10.7.1 射频/中频增益模块 543 10.7.2 DSP器件的例子 545 10.7.3 解调器功能框图 546 10.8 参考文献 548 10.9 建议扩展阅读 551 第11章 性能测试 552 11.1 引言 552 11.2 信号发生器 552 11.2.1 模拟信号发生器 552 11.2.2 矢量信号发生器 553 11.2.3 任意波形发生器 554 11.3 接收机测试 555 11.3.1 单音测试 557 11.3.2 双音测试 562 11.3.3 噪声系数 566 11.3.4 总动态范围 568 11.3.5 混频器性能测量 569 11.4 频谱分析仪 574 11.4.1 FFT分析仪 574 11.4.2 外差分析仪 576 11.4.3 滤波器 577 11.4.4 综合实现 578 11.4.5 仪器结构的比较 579 11.4.6 互调失真测量 584 11.5 噪声功率比 587 11.5.1 噪声功率比（NPR）的推导 588 11.5.2 陷波（带阻）滤波器的设计考虑 589 11.5.3 最佳加载噪声的确定 589 11.5.4 测量分析 590 11.6 软件无线电系统的测试 591 11.6.1 测量考虑 593 11.7 软件无线电与传统接收机的比较 594 11.8 参考文献 595 11.9 书目 596 附录A 接收机实现示例 598 A.1 概述 598 A.2 EMSD宽带监测接收机 598 A.2.1 应用 599 A.2.2 特点 599 A.3 参考文献 608 A.4 参考书目 608

"译 者 序 在当今的信息化时代，通信无时无处不在，与每个人都息息相关，深刻影响着社会、经济、生活、军事等方方面面。由于微电子、通信、计算机等技术的发展日新月异，软件无线电、认知、人工智能等技术的广泛采用，通信系统的网络带宽越来越宽，通信速率不断提高，通信体制更加灵活高效。 由于无线电通信不需要电缆、光纤等有线传输介质，可利用空间电磁波信号来实现信息传递，其灵活性、机动性、便捷性、可达性等性能优越，而成为民用、商业和军事领域不可或缺的重要通信方式。在军事应用中，由于部队作战地域广、机动性强、多平台协同、信息传输量大等特点，迅速、准确、安全、顺畅的无线电通信更是取得战场胜利的重要保证。然而，无线电通信由于受地理环境、运载平台、使用场景、电磁环境等的影响巨大，对无线电波形、收发体制、无线信道选择等的要求更高。一些传输问题的产生、解决与通信信号的接收、发射部分都密切相关，但与接收的关系更大，接收机的设计也比发射机的设计难度更大些。 《通信接收机原理与设计》一书首次出版于20世纪80年代，包含了作者诸多的研究成果和实践经验，并伴随着技术的发展，与时俱进、不断完善，在本书（第4版）中更是增加了软件无线电原理及其应用等相关内容。本书对通信接收机进行了具体翔实的讨论，涵盖了接收机架构、天线、混频器、频率源、自动增益控制、静噪自动频率控制、接收机指标与测试、软件无线电原理与技术、基于软件无线电技术的收发信机实现等，内容广泛深入、娓娓道来，并给出了许多应用实例。本书可作为从事无线电通信、通信电子战、频谱管理等行业广大工程技术人员和研发人员的重要参考资料。本书的翻译过程对译者而言既是对一些新知识和新技术应用的学习，也是对以往所学知识的重新回顾和再梳理，受益匪浅。 本书共11章，第1章对无线电通信系统的基础知识进行了介绍；第2章讨论了无线信道的特性和接收机的主要参数；第3章对接收机的架构以及接收机的线性、选择性、频率稳定度等要求与实现进行了讨论；第4章讨论了接收机的系统仿真和数字化实现，并介绍了扩频技术；第5章对软件无线电原理与技术进行了深入分析和讨论；第6章讨论了基于软件无线电的通信收发信机的设计；第7章介绍了多种单元天线及阵列天线，并介绍了自适应接收处理技术；第8章对各种混频器进行了讨论；第9章讨论了频率源的设计及实现案例；第10章分析讨论了放大器、解调器电路以及限幅、静噪、自动频率控制等接收机辅助电路；第11章讨论了接收机各种指标的测试方法。 本书的第1章由李新付翻译；张东坡翻译了第2章；郑仕链翻译了第3章；第6、8章由陈仕川翻译；郭玉春翻译了第7章；叶宝盛翻译了第9章；第10章由章军翻译；金大元翻译了第11章，其余章节由楼才义和王建涛翻译。楼才义和王建涛负责对全书的统稿，杨小牛院士对全书进行了仔细的审校。电子工业出版社竺南直博士为本书的出版付出了辛勤的劳动，给出了许多很好的意见和建议，在此表示诚挚的感谢。 未觉池塘春草梦，阶前梧桐已秋声。由于本书篇幅较大及译者工作的原因，本书的翻译经历了一年多的时间。受制于译者的技术水平和翻译水平，对书中的有些术语难免把握不准，译著中肯定会存在各种错误，敬请读者批评指正。 译者于嘉兴 2018年9月"