基于靈敏度優(yōu)先和動態(tài)優(yōu)先的數字接收機射頻通道增益配置方法

中國電子科技集團公司第二十九研究所 徐利兵 李延飛 田發(fā)林

針對數字接收機中射頻通道增益設置差異對不同應用場景下信號接收質量的影響，本文提出一種基于靈敏度優(yōu)先和動態(tài)優(yōu)先場景下的射頻通道增益配置方法，利用射頻通道增益與靈敏度之間關系以及射頻通道和A/D轉換器之間噪聲功率譜密度的相對關系確定射頻通道增益配置，進一步給出了該方法的實施步驟，并通過實物驗證了方法的有效性和適應性。

隨著高性能A/D轉換器的快速發(fā)展以及數字混頻、濾波等在芯片內高密度集成，數字接收機在通信、雷達、電子戰(zhàn)等領域廣泛應用。典型數字接收機結構圖如圖1所示，數字接收機主要由接收天線、接收天線與A/D轉換器之間的射頻通道和包含A/D轉換器與信號處理的數字化采集處理部分組成。決定接收機接收信號質量的重要指標主要包括靈敏度和動態(tài)范圍，它們由射頻通道和數字化采集處理部分共同決定。隨著A/D轉換器有效位的提高，數字接收機靈敏度和動態(tài)范圍主要受限于射頻通道性能。在不同領域不同場景下，系統(tǒng)要求數字接收機的靈敏度和動態(tài)范圍能根據具體場景最優(yōu)適配。噪聲系數、1dB壓縮點動態(tài)范圍和靈敏度如式(1)、式(2和式(3)所示，隨著增益增加，噪聲系數減小，靈敏度增加，1dB壓縮點動態(tài)范圍也減小。大動態(tài)范圍與高靈敏度往往相互制約。因此，如何配置射頻通道增益使之與數字化采集處理部分匹配以滿足不同場景下對靈敏度、動態(tài)范圍的需求是數字接收機設計的關鍵問題。

本文基于信噪比檢測模型推導出通道增益與靈敏度的普適數學關系式，從靈敏度計算公式出發(fā)，結合工程實際，考慮靈敏度優(yōu)先和動態(tài)優(yōu)先兩種典型應用場景，分別提出了射頻通道增益的配置方法和相應的實現步驟。

圖1 典型數字接收機結構圖

其中，F表示接收機噪聲系數，Fn表示接收機中各單元的噪聲系數，表示接收機中各單元的增益值，DR1db表示接收機1dB壓縮點動態(tài)范圍（dB），Pout,1db表示接收機級聯(lián)輸出1dB壓縮點（dBm），G表示接收機級聯(lián)增益值（dB），SEN表示接收機的靈敏度（dBm），N1表示室溫下熱噪聲功率譜密度，常取值-114dBm/MHz，Bv表示接收機視頻檢測帶寬（dB?MHz），NF表示接收機的噪聲系數（NF=10log10F，dB），D表示接收機檢測門限（dB）。

1 射頻通道增益與接收機靈敏度間關系推導

根據式(3)可知，從接收機輸入口面，靈敏度SEN等于噪

底功率（N1+Bv+NF）加檢測門限（D）。從接收機檢測點輸出口面，靈敏度SEN可重寫為：

其中Na表示射頻通道輸出噪聲功率譜密度（dBm/MHz），NFRF表示接收機中A/D轉換器前射頻通道級聯(lián)噪聲系數，Nb為接收機中A/D轉換器帶來的噪聲功率譜密度（dBm/MHz），No表示接收機在檢測前射頻通道與A/D轉換器級聯(lián)噪聲功率譜密度（dBm/MHz）。

在式(7)中，當時，等價為在射頻通道噪聲系數和A/D采集板的噪聲功率譜密度保持不變的條件下，需要配置射頻通道較高通道增益以滿足，此時，式(3)所示的接收機靈敏度與式(7)中對應的最優(yōu)接收機靈敏度接近。當，等價為在A/D采集板的噪聲功率譜密度一定條件下，配置射頻通道較低通道增益以滿足，此時，式(7)中接收機靈敏度隨著射頻通道增益下降而下降，式(2)中的動態(tài)DR1db隨射頻通道增益下降而上升。因此，通過設置射頻通道增益使射頻通道輸出噪聲功率譜密度和A/D轉換器噪聲功率譜密度滿足兩類相對關系可適應不同應用場景下對數字接收機靈敏度、動態(tài)范圍的需求。

為指導工程應用，令射頻通道輸出噪聲功率譜密度與A/D采集板的噪聲功率譜密度間落差系數Grad(dB)=Na－Nb，聯(lián)立式(3)和式(7)，可得接收機噪聲系數與射頻通道噪聲系數、落差系數之間的關系表達式為：

圖2顯示接收機噪聲系數和間關系。

圖2 接收機噪聲系數惡化程度和落差系數之間的關系

2 不同場景下射頻通道增益配置方法

為指導工程應用，基于式(7)本文提煉出了兩類射頻通道增益配置方法，并給出典型實施步驟。

2.1 基于靈敏度優(yōu)先的射頻通道增益配置

基于靈敏度優(yōu)先的射頻通道增益配置方法要求射頻通道增益滿足，選擇合適的落差系數Grad，并以此配置射頻通道增益可以獲得靈敏度惡化程度可接受的數字接收機。

具體步驟為：（1）確定A/D采集板的噪聲功率譜密度Nb。A/D采集板輸入端接負載，采集原始數據，計算噪聲功率譜密度Nb；（2）確定采集板中AD前巴倫等無源器件插損值L；（3）選擇可接受噪聲功率譜密度落差系數Grad值；（4）測量射頻通道噪聲系數NFRF；（5）帶入式(9)計算獲得射頻通道增益配置值，記為GS。

2.2 基于動態(tài)優(yōu)先的射頻通道增益配置

基于動態(tài)優(yōu)先的射頻通道增益配置方法要求射頻通道增益滿足，且在靈敏度滿足要求前提下，配置射頻通道增益滿足接收機高動態(tài)范圍要求。與2.1節(jié)不同，本策略不僅所選落差系數Grad滿足要求，且需要額外考慮射頻通道增益波動對靈敏度的影響。

具體步驟為：（1）確定A/D采集板的噪聲功率譜密度Nb，方法同2.1節(jié)；（2）確定接收機視頻檢測帶寬Bv；（3）確定接收機檢測門限D；（4）確定接收機靈敏度SEN；（5）確定射頻通道波動下限值與波動均值間差異，記為Gf；（6）確定采集板中AD前巴倫等無源器件插損值L；（7）帶入式(10)計算獲得射頻通道增益配置值，記為Gs；（8）復驗是否滿足。

3 試驗結果分析

本節(jié)基于圖1構建數字接收機，通過變頻后中頻衰減實現靈敏度優(yōu)先模式下級聯(lián)增益調整，通過變頻前射頻衰減實現動態(tài)優(yōu)先模式下級聯(lián)增益調整。接收機采用Analog Devices公司AD9625制作A/D采集板，采集板噪聲功率譜為-79dBm/MHz，接收機檢測門限取值14dB，接收機視頻檢測帶寬取值1MHz，AD前巴倫等無源器件插損取值3dB，靈敏度優(yōu)先模式下變頻前注入頻率為9.6GHz，對應中頻頻率1.7GHz，動態(tài)優(yōu)先模式下變頻前注入頻率為9.2GHz、9.6GHz、9.9GHz，對應中頻分別為1.4GHz、1.7GHz、2.2GHz，不同模式下靈敏度理論值與實測值對比情況，以及不同模式間動態(tài)對比情況如表1所示。

表1 不同射頻通道增益配置方法下理論值與實測值對比表

考慮到A/D采集誤差以及射頻通道與A/D間寬帶阻抗失配影響，從上表可看出，在不同噪聲功率譜密度落差和增益波動下，兩種配置方法所對應的接收機靈敏度理論計算值與實測值基本吻合，且對應策略下的靈敏度和動態(tài)范圍值有明顯改善。

總結：本文從數字接收機檢測模型出發(fā)，推導了射頻通道增益與靈敏度間具有普適意義的數學關系式，提出了適應高靈敏度需求和高動態(tài)需求的兩種射頻通道增益配置方法以及實施步驟，并通過接收機系統(tǒng)實物構建以及關鍵參數調整測試，驗證了該方法的理論與實際吻合度以及方法的有效性。