寬帶數(shù)字接收機(jī)性能指標(biāo)的研究

張信民，董　娜，肖　力

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0　引　言

模擬接收機(jī)主要是在晶體檢測(cè)器后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，而數(shù)字接收機(jī)則用ADC取代了晶體檢測(cè)器，使得更多的信息被保留并進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理。[1]從上世紀(jì)90年代開始，各種商品化的寬帶、高速ADC應(yīng)用滿足了寬帶數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用的需求，從而促進(jìn)了寬帶數(shù)字接收機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。因此，接收機(jī)在引入ADC后的性能指標(biāo)就十分值得研究，特別是靈敏度和瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍的極限值更加值得關(guān)注。[2]本文主要研究了寬帶數(shù)字接收機(jī)的增益、靈敏度、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍、帶寬ADC有效位數(shù)、ADC采樣率這幾個(gè)指標(biāo)互相影響和制約的關(guān)系，并給出理論公式用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

1　寬帶數(shù)字接收機(jī)指標(biāo)計(jì)算

寬帶數(shù)字接收機(jī)一般由前端射頻鏈路和ADC模塊組成，如圖1所示。前端射頻鏈路對(duì)接收到的射頻微波信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大、下混頻、濾波等。ADC模塊對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行量化輸出數(shù)字信號(hào)。

1.1　射頻鏈路的主要性能指標(biāo)計(jì)算

多個(gè)射頻模塊級(jí)聯(lián)總增益按下式計(jì)算：

GRF=G1G2，…，Gn

(1)

或

GRF(dB)=G1(dB)+G2(dB)+…+Gn(dB)(2)

多個(gè)射頻模塊級(jí)聯(lián)總噪聲系數(shù)按下式計(jì)算：

(3)

多個(gè)射頻模塊級(jí)聯(lián)總輸出三階截點(diǎn)按下式計(jì)算：

(4)

1.2　三階交調(diào)產(chǎn)物計(jì)算

計(jì)算接收機(jī)的三階交調(diào)產(chǎn)物是利用三階截點(diǎn)[4]。三階截點(diǎn)與接收機(jī)輸入輸出信號(hào)功率的關(guān)系如圖2所示。理論上當(dāng)輸入信號(hào)增加1 dB三階交調(diào)產(chǎn)物增加3 dB。

根據(jù)圖2，可以得出接收機(jī)輸出三階交調(diào)產(chǎn)物功率P3為

P3=3Pi-2OIP3+3G(dBm)

(5)

因?yàn)镻o=Pi+G，那么

(6)

1.3　ADC模塊的主要性能指標(biāo)計(jì)算

對(duì)于ADC模塊主要關(guān)心其動(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)上限為ADC不飽和輸入的最大電平Vs，下限為ADC的量化噪聲電平?？梢酝ㄟ^下式計(jì)算ADC的信噪比SNR。

SNR=6.02b+1.76(dB)

(7)

式中b為ADC的理想位數(shù)，通常由于其他各種原因ADC的有效位數(shù)beff并不能做到與b一致。通過圖3所示的測(cè)試框圖和結(jié)果[3]，可以計(jì)算出ADC的有效位數(shù)beff。

一般根據(jù)ADC器件手冊(cè)中給出的SNR或者SINAD值計(jì)算。

(8)

1.4　射頻鏈路和ADC模塊級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算

如圖1所示的寬帶數(shù)字接收機(jī)原理框圖，射頻鏈路和ADC模塊級(jí)聯(lián)后，可將ADC模塊當(dāng)作一個(gè)外加噪聲源，則總的噪聲功率NS=No+Nb[1]。其中，Nb=Q2/12，Q為ADC模塊的量化電平。需要注意的是，此處的量化噪聲電平指的是ADC模塊有效位數(shù)的量化噪聲電平，而不是標(biāo)稱位數(shù)的量化噪聲電平。那么，寬帶接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲系數(shù)可由下式計(jì)算得出。

(9)

或

Fs=Ns-GRF-BRF-NPSD(dB)

其中NPSD=-174 dBm/Hz(熱噪聲功率譜密度)。

如果定義M=No/Nb，M′=M+1,則

(10)

級(jí)聯(lián)后的系統(tǒng)靈敏度惡化ΔP為

級(jí)聯(lián)后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍惡化ΔDR為

根據(jù)公式(10)、(11)和(12)可以推導(dǎo)出ΔP、ΔDR、和No/Nb的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)No/Nb=1時(shí)，從公式(10)可以得出系統(tǒng)噪聲系數(shù)等于射頻鏈路的2倍，即系統(tǒng)噪聲系數(shù)相對(duì)于射頻鏈路惡化了3 dB，此時(shí)ΔP、ΔDR均惡化3 dB。當(dāng)No/Nb<1時(shí)，從公式(10)可以得出系統(tǒng)噪聲系數(shù)將會(huì)較高，即ADC模塊的量化噪聲決定了系統(tǒng)噪聲系數(shù)，同時(shí)系統(tǒng)靈敏度會(huì)變差，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍較好。當(dāng)No/Nb>1時(shí)，從公式(10)可以得出系統(tǒng)噪聲系數(shù)也會(huì)惡化，當(dāng)增大到一定值時(shí)，系統(tǒng)噪聲系數(shù)接近射頻鏈路的噪聲系數(shù)將不會(huì)惡化，但是此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍將會(huì)損失很多。因此，ΔP、ΔDR、和No/Nb三者必須折中考慮，選取適合接收機(jī)要求的值。

2　射頻鏈路與ADC模塊的匹配

由于目前器件性能的限制，寬帶數(shù)字接收機(jī)一般都是首先選擇合適的ADC模塊后再對(duì)射頻鏈路進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得二者達(dá)到最佳匹配，從而使得寬帶數(shù)字接收機(jī)達(dá)到較好靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍性能(雖然二者是相互矛盾的，需要折中選取合適的指標(biāo))。

2.1　射頻鏈路的增益影響

從1.4節(jié)分析可以看出，當(dāng)寬帶數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)中選定了ADC模塊，則影響整個(gè)系統(tǒng)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍性能的參數(shù)為射頻鏈路輸出的噪聲功率No。而No的大小則又取決于射頻鏈路的增益。因此，寬帶接收機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)直接受到射頻鏈路增益的影響。

2.2　射頻鏈路和ADC模塊級(jí)聯(lián)的阻抗匹配影響

一般射頻鏈路的阻抗為RRF=50 Ω，而ADC的阻抗Ra不一定為50 Ω。因此，二者級(jí)聯(lián)后會(huì)造成系統(tǒng)增益降低。一般把這個(gè)增益惡化用失配因子Mm來表示[5]。該因子按下式計(jì)算：

(13)

那么，射頻鏈路的增益(即系統(tǒng)的增益)修正為

Gs=GRF+Mm(dB)

(14)

2.3　射頻鏈路和ADC模塊級(jí)聯(lián)的匹配條件

當(dāng)寬帶數(shù)字接收機(jī)考慮到同時(shí)最多會(huì)收到兩個(gè)信號(hào)時(shí)，一般用雙音無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍作為接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。此時(shí)的射頻鏈路和ADC模塊級(jí)聯(lián)的匹配條件為寬帶數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)接收的最大雙音信號(hào)產(chǎn)生的交調(diào)產(chǎn)物與系統(tǒng)的噪聲功率一致，此時(shí)輸入的每個(gè)雙音信號(hào)功率要比ADC模塊滿幅功率小6 dB，如圖5所示。

匹配條件公式為

P3=NPSD+Gs+Bv+Fs(dBm)

(15)

其中BV為數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)最小帶寬。

根據(jù)公式(5)和(15)，可以得出OIP3為

(16)

3　仿真分析

3.1　仿真參數(shù)

舉一個(gè)例子說明寬帶數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)計(jì)算。通常通過調(diào)整射頻鏈路的增益值來均衡靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。假設(shè)接收機(jī)的指標(biāo)參數(shù)如下：

FRF=3 dB；fs=1 000 MHz；b=8；Vs=1 000 mV；Ra=100 Ω；Bv=6.76 MHz

3.2　仿真結(jié)果

根據(jù)以上各節(jié)推導(dǎo)的計(jì)算公式，可以得出如所圖6示的在不同射頻鏈路增益條件下寬帶數(shù)字接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度等指標(biāo)。

可以從仿真結(jié)果來看，射頻鏈路增益會(huì)影響寬帶數(shù)字接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。高增益具有高靈敏度和較低的動(dòng)態(tài)范圍，低增益具有較低的靈敏度和較高的動(dòng)態(tài)范圍。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，可以在動(dòng)態(tài)范圍(或者OIP3)與靈敏度之間這種選擇最佳滿足系統(tǒng)要求的一組值，同時(shí)確定射頻鏈路的增益。需要注意的是，從以上分析得到的射頻鏈路增益一定等于選定的值，而OIP3則是最小值。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了寬帶數(shù)字接收機(jī)各部分的指標(biāo)計(jì)算方法，同時(shí)還給出了雙音信號(hào)條件下的數(shù)模匹配條件。

最后通過仿真得出了寬帶數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)的增益、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)系，這對(duì)寬帶數(shù)字接收機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。