没想到二十一世纪已经过去二十多年了，架中继依然是专业通信和无线电爱好者喜闻乐见的话题，那就再开一篇通俗技术讲座，把门道说明白。

在前情文章（ https://www.kechuang.org/t/81240 ）中，我们已经探讨了双工器的作用，并初步了解了制约中继台灵敏度的因素。本文将问题缩小，分析中继台的极限灵敏度有多高，以便在工程实践中，尽可能逼近极限。

常见中继台的本质，是一个接收机将解调后的音频或者数据送给发射机，用大功率重新发射出去。换句话说，它与一般的手持、车载电台是差不多的，因此才流行用两部车载电台搭建中继。我们首先要问，常见的手台、车载电台的极限灵敏度有多高？

说起来你们不信，结论其实很简单，它们已经极为逼近极限。

常见手持电台的灵敏度可达-125dBm，车载电台比手持电台略低，一般可达-122dBm，而正规的中继机则要更低一些，通常可达-118dBm。

众所周知，接收机能辨别多微弱的信号，并不取决于信号的绝对强度，而是取决于信噪比。

基于瑞利-金斯公式推导，在射频频段，天线朝向常温物体时，收到的噪声功率谱密度的大约数量级为：

\[{P_N}{\rm{ = }}{{\rm{k}}_{\rm{B}}}TB = 1.38 \times {10^{ - 23}}{\rm{J/K}} \times 290{\rm{K}} \times 1\frac{1}{{\rm{s}}}{\rm{ = 4}}{\rm{.002}} \times {\rm{1}}{{\rm{0}}^{ - 20}}{\rm{W =  - 174dBm}}\]

任何有温度的物体都会产生噪声，只要天线指向地面（而不是太空），就一定会收到这些噪声，与天线的增益无关。换句话说，在没有任何干扰的情况下，天线端口的噪声电平约为-174dBm/Hz。（注：与频率有关，比如UHF段就略高于该值，本文不作详细讨论）

一般的调频电台，必要带宽是16kHz，在这个带宽下，极限噪底为-174dBm/Hz+10Log(16000Hz)=-174+42=-132dBm。

如果接收机自身没有贡献噪声，它也会收到-132dBm的噪声，所以接收机不需要做太灵敏。由于前端电路还会产生热噪声，也不可能太灵敏。

但-132dBm距离常见的电台“灵敏度”还有足足10dB，是不是可以再提升提升？

我们知道，要从信号中解调出有用的信息，不论是声音还是数据，都需要信号具有一定的信噪比。噪底为-132dBm的接收机，是没法解调-132dBm的信号的（这里不讨论诸如扩频信号）。测试调频电台灵敏度时，要求解调后的声音具有12dB信纳比，也就是基本能听清楚，此时信号必须高于噪底一定水平，通常需要6~10dB；对于数字信号，根据调制方式、数据速率不同，需要的信噪比也不同，通常至少要高于噪底3~10dB。

因此，-125dBm左右的灵敏度，已经是常见调频或数字对讲接收机的极限。

为什么中继机灵敏度最低，车载电台好一些，而手持电台最好呢？要解释清楚这个问题，需要知道噪声级联的概念和计算方法，如此一来本文就没人看了，所以我们可以如此简单理解：

手台的抗干扰性能要求最低，所以放大器之前几乎没有什么滤波电路，对信号基本无衰减，同时还可以用噪声很低的前放。而正规中继机具有最高的抗干扰性能要求，不但需要复杂的滤波电路，损耗更多有用信号，还需要用电流较大的放大器（获取高IP3），这种放大器噪音也比较大，属于祸不单行。所以，正规中继机灵敏度最低是可以理解的。同时也还有应用场景的原因，比如中继机本身其实并不需要那么高灵敏度。

在目前电磁环境下，最应该关心的是抗干扰性能，单纯提高中继机灵敏度往往以降低抗干扰性能为代价，是不划算的。使用正规中继机，有助于取得性能方面的最佳平衡，可靠性也远高于普通车台。 当然，使用之前需要仔细调试，对准滤波器通带，把灵敏度调到最佳状态。

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中继台除了中继机之外还有天馈线系统和双工器等，这些东西的性能会显著影响中继使用时的实用灵敏度（以下简称灵敏度）。

通常天线架在高塔上，中继机放在塔下。从天线到中继机，有至少几十米的馈线，½馈管最小会带来3dB左右损耗。一般情况下，馈线损耗多少就意味着灵敏度降低多少。因此，馈线的损耗是可以优化的地方，比如换用更粗的馈管。

天线的增益和方向性非常重要。由于噪音与天线增益无关，故天线增益提高1dB，灵敏度就提高1dB。但天线的方向性往往被忽视。全向覆盖的中继台通常使用共轴全向天线，这种天线具有圆盘状的方向图，增益也很高。但这个增益是指主瓣方向的增益，并不见得是通信方向。只要主瓣方向偏离水平方向几度，对通信对象的增益就可能下降几dB。考究的厂商会根据通信频率对天线内部的振子长度进行仔细的调节，使主瓣方向位于水平方向或者略下倾1~2°。不考究的天线，不同频率用同样的东西，调调匹配就出厂了，方向图不是下压就是上翘，通信效果就会差很多。作为天线的使用者，首先要选用按照目标频率设计的天线，采用考究的产品；其次要用测试仪器校正天线的垂直度，尽量把误差控制在1度以内；再次应使用垂直的撑杆使天线底部距离地面、墙顶或水平桁架1个波长以上距离，以免仰角受到影响。

当前的电磁环境非常恶劣，空中电磁噪音（及各种干扰，特别是劣质物联网设备发射的信号）经常大于中继台的灵敏度。如果一个地址设立多个中继台，互相之间还会存在噪音干扰和阻塞。这种环境下，改进天线，更多的接收通信对象的信号是有效的，但降低一两个dB的馈线损耗并不能改善信噪比。可以认为，在大多数地方，电磁环境决定了中继台的灵敏度，把中继台架设到电磁环境好的地方比什么都重要。如果电磁环境不好，其它工作都是徒劳的。

如果多个中继共址架设，他们就会互相伤害，对于一个中继台而言，电磁环境主要取决于同一地址的其它中继。这时，改善站址“小气候”就变得尤为关键。通常的办法是收发分场地设置，比如把接收天线放在塔顶，把发射天线放在铁塔中下部，拉开10米以上垂直距离。在接收天线附近，要绝对禁止安装发射天线。

以下的讨论只针对收发分场设置。

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在电磁环境较好的前提下，再来考虑如何提高灵敏度。

如果接收系统的极限噪底是-174dBm/Hz的话，请问科学家们是如何收到3°K宇宙微波背景辐射的？要知道，3°K大约相当于-194dBm/Hz的噪声。

前面提到天线输出端口的噪底时，总是强调天线指向“地面附近”。实际上，天线的噪声可以远远低于300°K，也就是远低于-174dBm/Hz。假设一个天线，它的效率是100%，那么它自己的噪声就是0，就是-∞dB。这样的天线如果只接收来自天空的信号，没有别的干扰，那么-194dBm/Hz甚至更小依然高于它自身的噪音。当然，天线的效率不可能做到100%，天线的馈源与馈线的匹配不可能做到100%，这些损失都表现为噪声。如果他们比宇宙辐射更大，就需要采取别的办法，感兴趣的读者可参考 https://www.kechuang.org/t/84718 第六节的内容。同时，也不是造不出噪底比-174dBm/Hz更低的接收机。如果一个接收机，前端损耗为0，噪声系数为0，理论上它的灵敏度是可以无限高的，只是实际造不出来而已。但是，造一个常温下噪底优于-184dBm/Hz的接收机却有可能——问题在于如何测量其灵敏度，因为任何信号源的热噪声都比它高，除非把信号源的输出衰减器泡在液氦中。

如果天线朝向地面，这就坏事了，地面大约300°K的温度，不断产生辐射，再被天线接收，使得天线输出的噪音约为-174dBm/Hz。对于中继台而言，主要服务对象位于地面，因此在电磁环境极好的阴天，可以认为天线接头处的噪声是-174dBm/Hz，以此作为基准做后续的设计。（对于天线增益为10dB的接收站，在430MHz、16kHz带宽时，该电平对应的场强为0.23μV/m）

那么问题转变为，如何让中继台的灵敏度逼近天线的输出的最低噪音水平。答案很简单，在天线接口处立即进行放大。为了让本文有人读，这里再次忽略噪声级联公式，简单表达为：中继台的噪音取决于第一级放大器之前的所有噪音与第一级放大器自身的噪声贡献之和。

如果第一级放大器的噪声系数为1dB，且就放在天线接口处，在理想情况下，它的输出噪声为-173dBm/Hz。此后，馈线的损耗，中继机本身的噪声都会被第一级放大器掩盖掉，中继台的灵敏度就取决于天气好坏了。

但情况总不够理想。空中有很多信号，尤其还有中继发射机的噪声，它们在第一级放大器内，利用放大器的非线性互相啪啪，会生成许多新频率的信号和宽带广谱噪音，覆盖接收频率。避免伤害的办法有三个：

1、发射机加装窄带滤波器，将发射噪音滤掉，不给噪声谱迁移到接收频率的机会。双工器可以精准抑制接收频率上的发射机噪音，但无法避免噪音通过放大器的互调迁移到接收频率，采用收发场地分设方案的中继台，应优先使用发射带通滤波器。

2、使用高IIP3的放大器，合理选用放大器增益。放大器增益并非越高越好，通常只需要比放大器后的总损耗+接收机噪声系数高3~6dB即可。中继机的噪声系数通常为3~6dB，按6dB算，加上馈线损耗3dB，放大器只需要15dB增益。此时优秀的放大器IIP3可以做到20dBm以上，按照IMD3=2IIP3-Pin粗略估计，当总干扰电平低于-40dBm时，IMD3可达80dB以上，干扰产物小于-120dBm，基本不压制中继灵敏度。但如果一个接收天线同时供多台中继使用，考虑分路器损耗，就需要20dB以上的放大器。4分路的话，放大器增益以21dB为好。

3、在放大器前加滤波器。此方法显然最有效，且能抑制中继发射对放大器的干扰。但滤波器有损耗。如果电磁环境不够好，这个滤波器必须加。如果电磁环境足够好，且所有互调产物（尤其是与中继发射相关的）都不落在接收频率，则可以不加，以提升灵敏度。折中的办法是用半只双工器抑制发射频率，能显著减少放大器互调噪声。如果中继机的前置滤波器不够好（比如用车台拼装的），应在放大器之后再加一组滤波器，在选取放大器增益时，要考虑这组滤波器的损耗。

经过收发分设、加装滤波放大等措施，中继台的灵敏度可以逼近理论极限或环境噪音。对于模拟和窄带数字中继来说，这就是极限了。

既然加了放大器和滤波器，不如一步到位，分别对收发信机进行合/分路，收发各用一根天线，解决2~4套中继的天馈问题。腔体合路器连带环形器的总损耗可以做到2dB左右，是相当划算的；只要放大器的增益足够，分路器就不构成影响。这种方法可以彻底避免共址中继互相伤害。

※※※※※※※※※※※※结尾※※※※※※※※※※※※

本文谈到了很多数量关系，其实读者容易产生错误的认知。有时细微的措辞不同，可能代表着概念上的根本差别。我不能保证文章绝对严谨，当然网上的错误观念更是铺天盖地，而观念错误就不可能稳定的设计出最优的作品。任何一个简单的技术问题，深究起来背后都有深刻的道理，就连中继灵敏度这么一个简单的事情，要想理清楚，都不可避免的联想到物理学的乌云。比如-174dBm/Hz，读者能说清楚它到底是啥吗？