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接收機靈敏度的探討

No.23   1994 Nov.   p70~72,   by 陳錫棋 / BV6ER 台南郵政20-71信箱



要清楚地接收到微弱訊號,並不是將音量開大,或外加一級放大器;其關鍵乃是訊號 和雜訊相對的強度,是否訊號有足夠的強度,不被雜訊所遮蓋過去……

    無線電接收機諸多的性能當中,「靈敏度」 (Sensitivity) 無疑是其中最重要的一 項,同時,也可能是遭遇最多誤解的一項了。

    曾經聽說過有位 OM 試著要在天線和接收機的輸入端之間,加裝一個高增益的前置放 大器,以提高靈敏度。這種作法是否正確,有待我們來探討。


雜訊與訊號雜訊比

    直接從字面上的意義,我們瞭解到,靈敏度是接收微弱訊號的能力。要接收微弱的訊 號,一般的想法是設法將訊號儘量放大,也就是提高增益 (Gain),以接收更微弱的 訊號,所以增益高的接收機,其靈敏度一定較高。

    這一段話,前半段關於靈敏度定義的部份,基本上是正確的;但後半段,增益與靈敏 度關係的推論,跟實際情況卻相差了十萬八千里,這正是一般人對於靈敏度這項特性 最大的誤解。

    在進入正題之前,且讓我們談談雜訊 (Noise) 的問題。

    打開接收機,當沒有訊號進來時,通常都可以聽到細小的「沙沙」聲,這就是雜訊的 聲音。當有訊號進來時,強度夠的話,這種「沙沙」聲就幾乎聽不到。可是如果訊號 微弱的話,我們會把接收機的音量開大,想更清楚地聽到訊號,這一來,「沙沙」聲 也就相對變大。如果訊號更微弱的話,縱然將接收機的音量開到最大,也只是徒然提 高「沙沙」聲而已,訊號還是聽不清楚。

    可見要清楚地接收到微弱訊號,問題並不是在將音量開得多大 (提高增益)。如果純 粹想提高增益的話,實在太簡單了,了不起再加一級放大器就是。其關鍵乃是訊號和 雜訊相對的強度,是否訊號有足夠的強度,不被雜訊所遮蓋過去。

    這種訊號強度和雜訊強度的對比就叫「訊號雜訊比」 (Signal to Noise Ratio) 或 者簡稱 S/N 比;當然,S/N 比在習慣上,也經常以 dB 來表示。

    從接收機聲頻輸出端 (如揚聲器) 所聽到的雜訊。可以區分為兩類。第一類是伴隨著 訊號從天線端接收進來的外部雜訊。對於此「天」電雜訊 (或稱背景雜訊),我們很 難有所作為,只好聽天由命了。第二類是與外部環境完全無關的內部雜訊,即使將輸 入端的訊號降低到零,仍可聽到的雜訊,這完全是接收機本身所產生的內部雜訊。

    對於第二類的內部雜訊,聰明的你,應該已經察覺到跟接收機的靈敏度一定有很密切 的關係。


雜訊指數與雜訊係數

    描述一個系統(如接收機)內部雜訊大小,可以用雜訊係數 (Noise Factor) F 來表 示,或者取其對數值,變成雜訊指數 (Noise Figure) NF。

F = (Si/Ni) / (So/No)
NF = 10 logF = 10 logSi/Ni - 10 log So/No

    由於接收機內部雜訊的加入,會使得輸出端的訊號雜訊比降低,所以雜訊係數 F 值 一定大於 1,而雜訊指數 NF 值則大於 0dB。

    對於一個可以分成幾級串接起來的系統 (如圖一),其整體的雜訊係數 F,可以由各 級的增益和雜訊係數計算出來。

Fig 1

    由於第一級的雜訊會經過每一級的放大,所以影響整體的雜訊係數 F 最顯著。第二 級則不必經過第一級的放大,影響次之,……

    越到後級,其影響程度越不顯著,如公式 (1)。通常的計算,只須考慮到第二級就足 夠的了,以後的各級是可以忽略不計的。

    以一般常見的接收機來說,天線輸入端之後就是射頻 (RF) 放大級,再進入混波 (MIXER) 級、中頻 (IF) 放大級……如圖二。

Fig 2

    圖二中的混波級為平衡式混波器,所以不但沒有增益,反而有損失,但沒有雜訊。整 個接收機雜訊係數:

F = 1.585 + [(1.778-1) / 8*0.398] = 1.829
NF = 2.62 dB

    因為有射頻放大級的增益 12dB,使整個雜訊指數才增加 0.62dB 而已。當然,提高 射頻放大級的增益,是可以降低整體接收機的雜訊係數,但是提高到某個程度以後, 效果就不明顯了。

    相反地,太高的射頻放大級增益,也會造成混波級的問題。所以,射頻放大級的增益 目的,在建立起整體的雜訊係數,不必要求太高,大約在 10dB 左右即可。

    反倒是射頻放大級主宰了整體的雜訊係數,如何選用低雜訊的主動元件、如何去設計 偏壓電路、儘量降低射頻放大級的雜訊,就是一項最重要的課題。依一般專業通訊用 HF 接收機來說,雜訊指數大約在 5~10dB 之間。


靈敏度的定義與量測

    實際上,接收機製造商所標示出來的靈敏度和前面所討論的雜訊係數,雖然有密切的 關係,卻有所不同。通常所標示的靈敏度如:輸入阻抗 50Ω,頻率範圍 1.8~30MHz 時,對於 10dB 的 S/N 比,其靈敏度<0.2μV。 這種表示法可以用實際的量測方法來瞭解所代表的意義,如圖三:

Fig 3

    在接收機的聲頻輸出,接上一個真正的 rms 電表,在輸入端接一個訊號產生器 (必 須注意阻抗匹配)。首先將訊號產生器和接收機設定在特定的量測頻率,並調整訊號 產生器,使其輸出為零,此時在 rms 電表上的讀值為接收機本身產生的內部雜訊功 率。再慢慢地增加訊號產生器的輸出,直到 rms 電表的讀值比原來增加 10dB,也就 是 S/N 比為 10dB 時,在讀出訊號產生器的輸出電壓位準,如果是 0.2μV 的話 ,則此接收機的靈敏度就是 0.2μV。

    對於不同的量測頻率,接收機會有不同的雜訊係數,所以,要比較接收機的靈敏度, 就必須規定量測的頻率和 S/N 比的大小才有意義。此外,各種不同的調變模式要清 楚地抄收訊號所需的 S/N 比也不同,如 CW 模式須 3dB 即可,SSB 模式須 10dB, AM 模式須 17dB。

    因此,我們知道在相同的情況下,CW 模式可以抄到微弱的訊號,SSB 模式則次之。


結論

    討論至此,相信各位對於接收機的靈敏度與雜訊的密切關係,應該都已經有清楚且正 確的認識了。能夠澄清一般人對靈敏度的誤解,從而建立正確的觀念,乃是本文最大 目的。 END



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