張信民，董　娜，肖　力

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0　引　言

模擬接收機主要是在晶體檢測器后進行數字信號處理，而數字接收機則用ADC取代了晶體檢測器，使得更多的信息被保留并進入數字信號處理。[1]從上世紀90年代開始，各種商品化的寬帶、高速ADC應用滿足了寬帶數字信號處理技術應用的需求，從而促進了寬帶數字接收機的應用和發(fā)展。因此，接收機在引入ADC后的性能指標就十分值得研究，特別是靈敏度和瞬時動態(tài)范圍的極限值更加值得關注。[2]本文主要研究了寬帶數字接收機的增益、靈敏度、瞬時動態(tài)范圍、帶寬ADC有效位數、ADC采樣率這幾個指標互相影響和制約的關系，并給出理論公式用于指導設計。

1　寬帶數字接收機指標計算

寬帶數字接收機一般由前端射頻鏈路和ADC模塊組成，如圖1所示。前端射頻鏈路對接收到的射頻微波信號進行低噪聲放大、下混頻、濾波等。ADC模塊對中頻信號進行量化輸出數字信號。

1.1　射頻鏈路的主要性能指標計算

多個射頻模塊級聯總增益按下式計算：

GRF=G1G2，…，Gn

(1)

或

GRF(dB)=G1(dB)+G2(dB)+…+Gn(dB)(2)

多個射頻模塊級聯總噪聲系數按下式計算：

(3)

多個射頻模塊級聯總輸出三階截點按下式計算：

(4)

1.2　三階交調產物計算

計算接收機的三階交調產物是利用三階截點[4]。三階截點與接收機輸入輸出信號功率的關系如圖2所示。理論上當輸入信號增加1 dB三階交調產物增加3 dB。

根據圖2，可以得出接收機輸出三階交調產物功率P3為

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

(5)

因為Po=Pi+G，那么

(6)

1.3　ADC模塊的主要性能指標計算

對于ADC模塊主要關心其動態(tài)范圍，動態(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^下式計算ADC的信噪比SNR。

SNR=6.02b+1.76(dB)

(7)

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

一般根據ADC器件手冊中給出的SNR或者SINAD值計算。

(8)

1.4　射頻鏈路和ADC模塊級聯的噪聲系數、靈敏度和動態(tài)范圍計算

如圖1所示的寬帶數字接收機原理框圖，射頻鏈路和ADC模塊級聯后，可將ADC模塊當作一個外加噪聲源，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模塊有效位數的量化噪聲電平，而不是標稱位數的量化噪聲電平。那么，寬帶接收機的系統(tǒng)噪聲系數可由下式計算得出。

(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)

級聯后的系統(tǒng)靈敏度惡化ΔP為

級聯后的系統(tǒng)動態(tài)范圍惡化ΔDR為

根據公式(10)、(11)和(12)可以推導出ΔP、ΔDR、和No/Nb的關系如圖4所示。當No/Nb=1時，從公式(10)可以得出系統(tǒng)噪聲系數等于射頻鏈路的2倍，即系統(tǒng)噪聲系數相對于射頻鏈路惡化了3 dB，此時ΔP、ΔDR均惡化3 dB。當No/Nb<1時，從公式(10)可以得出系統(tǒng)噪聲系數將會較高，即ADC模塊的量化噪聲決定了系統(tǒng)噪聲系數，同時系統(tǒng)靈敏度會變差，系統(tǒng)動態(tài)范圍較好。當No/Nb>1時，從公式(10)可以得出系統(tǒng)噪聲系數也會惡化，當增大到一定值時，系統(tǒng)噪聲系數接近射頻鏈路的噪聲系數將不會惡化，但是此時系統(tǒng)的動態(tài)范圍將會損失很多。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，寬帶數字接收機一般都是首先選擇合適的ADC模塊后再對射頻鏈路進行設計，使得二者達到最佳匹配，從而使得寬帶數字接收機達到較好靈敏度和動態(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)。

2.1　射頻鏈路的增益影響

從1.4節(jié)分析可以看出，當寬帶數字接收機設計中選定了ADC模塊，則影響整個系統(tǒng)靈敏度和動態(tài)范圍性能的參數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，寬帶接收機系統(tǒng)系統(tǒng)靈敏度和動態(tài)范圍指標直接受到射頻鏈路增益的影響。

2.2　射頻鏈路和ADC模塊級聯的阻抗匹配影響

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，二者級聯后會造成系統(tǒng)增益降低。一般把這個增益惡化用失配因子Mm來表示[5]。該因子按下式計算：

(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模塊級聯的匹配條件

當寬帶數字接收機考慮到同時最多會收到兩個信號時，一般用雙音無雜散動態(tài)范圍作為接收機的動態(tài)范圍指標。此時的射頻鏈路和ADC模塊級聯的匹配條件為寬帶數字接收機系統(tǒng)接收的最大雙音信號產生的交調產物與系統(tǒng)的噪聲功率一致，此時輸入的每個雙音信號功率要比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為數字接收機系統(tǒng)最小帶寬。

根據公式(5)和(15)，可以得出OIP3為

(16)

3　仿真分析

3.1　仿真參數

舉一個例子說明寬帶數字接收機系統(tǒng)設計時的指標計算。通常通過調整射頻鏈路的增益值來均衡靈敏度和動態(tài)范圍指標。假設接收機的指標參數如下：

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

3.2　仿真結果

根據以上各節(jié)推導的計算公式，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字接收機的系統(tǒng)噪聲系數、動態(tài)范圍、靈敏度等指標。

可以從仿真結果來看，射頻鏈路增益會影響寬帶數字接收機的靈敏度和動態(tài)范圍。高增益具有高靈敏度和較低的動態(tài)范圍，低增益具有較低的靈敏度和較高的動態(tài)范圍。設計系統(tǒng)時，可以在動態(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　結束語

本文總結了寬帶數字接收機各部分的指標計算方法，同時還給出了雙音信號條件下的數模匹配條件。

最后通過仿真得出了寬帶數字接收機系統(tǒng)的增益、靈敏度、動態(tài)范圍的關系，這對寬帶數字接收機的設計具有一定的指導意義。