接收机动态范围分析

接收机动态范围分析

林树

【摘要】从接收机动态范围的概念出发,讲述了动态范围在接收机设计中的重要性.分析影响动态范围的几个因素,包括前端预选器的选择性、放大器增益分配、自动增益控制等,并基于数字中频接收机给出了扩大接收机动态范围的常规方法,如自动增益控制、中频限幅器和对数放大器等,分别指出常规方法应用于宽带数字接收机的局限性.

【期刊名称】《现代电子技术》

【年(卷),期】2009(032)023

【总页数】3页(P104-106)

【关键词】动态范围;放大器;AGC;宽带数字接收机

【作者】林树

【作者单位】中国电子科技集团公司,第十研究所,四川,成都,610036

【正文语种】中文

【中图分类】TN971.1

在现代密集而复杂的电磁环境中，为了实现通信、侦察等功能，接收机不仅需要较高的灵敏度，也对其动态范围提出了更高的要求。制约接收机完成功能的参数已不是早期的灵敏度而是它的动态范围。由于软件无线电技术的发展，目前大多数接收机都是采用模拟射频前端结和数字中频来实现整个接收功能的。本文主要分析了射

频前端动态范围。

1 动态范围的概念

不失一般性，假设输入端有m个振幅和频率都不同的信号同时输入，即:

(1)

由于非线性，输出信号可以表示为输入信号的非线性函数，展开成幂级数，可表示为:

(2)

式中：Vi为输入信号电压；Kn为复系数。

将Vi代入其中并整理，可得:

(3)

由式(3)可得输出信号中各分量如下：

直流与基波：

(4)

二阶互调：

(5)

三阶互调：

(6)

考虑单音输入时，输出端将会有直流、基波及多次谐波出现。由于在一般情况下，K3<0，因此小信号输入时，基波增益可视为常数，当输入信号增加到一定时，式(4)中的高阶项不能忽略，出现增益压缩情况(若K3>0，则出现增益扩张现象)。然而，更为普遍的情况是接收机输入端有多个信号同时到达，由于非线性效应，其输出端除了基波分量(线性产物)外，还出现了大量与输入信号频率不同的新信号。此时，为了便于比较各个接收机的动态范围，业内定义了一个无虚假响应的动态范围SFDR，即若接收机的三阶互调产物折合到输入端恰好等于基底噪声，则此时的输入信号Pin,max规定为上限，下限输入信号规定为最小可检测信号MDS，两者之差即为SFDR。用数学表达式可表达为：

SFDR= Pin,max -MDS

(7)

假设系统输入三阶截入点为IIP3，则可根据SFDR定义计算得到其进一步的表达式[1-3]为：

(8)

2 动态范围对接收机的影响与分析

由式(5)及式(6)可得，多信号输入时，接收机的输出端会产生非常丰富的高阶组合分量，若产生的这些新信号在噪声电平以下，可以不予考虑。但随着输入信号的增大，这些非线性产物也随之增大，若其落入接收机的带内，则构成虚假信号。图1展示了三阶互调落入带内造成虚假响应的过程。

图1 三阶互调落入带内

一般情况下，RF预选器并不能很好地解决互调造成的虚假响应问题。三阶互调失真具有自身独有的特性，当两个强干扰信号同时落在接收机通带内时，由于非线性

的作用，就会产生三阶互调量，其中一个或两个同时都可能落在通带内。减小RF

预选器带通滤波器组的带宽可以降低三阶互调对接收机的影响，然而要实现相对带宽很窄的RF滤波器是非常困难的，因此在当今高信号密度的环境背景中，两个不希望的强干扰信号同时落在RF预选器通带内，并且在接收机调谐频带中产生不希望的杂散响应的可能性非常大。三阶互调失真并不局限于接收机射频前端，以上讨论的带内三阶互调干扰特性同样适用于接收机的中频级。当两个强干扰信号的频率间隔小于第一级中频带宽时，互调失真就可能在中频级产生。因此，为了使互调失真的影响最小，就必须在整个接收机RF-IF链的设计，电路结构的选用与确定，器件的选择等方面作仔细慎重的考虑，并且作合理的优化[4]。

由式(8)可以看出，SFDR直接正比于三阶截断点IP3，反比于接收机的最小可检测电平。三阶截断点越高(值越大)，噪声基底越低，则带内强信号互调产生的杂散响应对系统的影响越小。然而，高三阶截断点与低噪声基底是一对矛盾，因此在对接收机线性度和噪声基底均有要求时，接收机设计必须在这两个指标间做折衷考虑。

3 扩展动态范围的方法

要实现接收机的大动态范围，第一种方法是合理分配增益。放大器有三个重要的参数，即增益、噪声系数和三阶互调截交点，这三个参数将影响接收机的性能。一般都希望设计一个具有尽可能最低的噪声系数和尽可能最高的三阶互调截交点的放大器链。放大器链的增益是由设计的系统确定的，依赖于放大器链末端所使用的ADC特性。设计放大器链所用的射频放大器可简单地分为两类。一类具有较低的

噪声系数;另一类具有较高的功率。低噪声放大器通常有一个低的三阶互调截交点，高功率放大器通常有一个高的噪声系数。在级联系统中，低噪声放大器应设置在链路的开头，高功率放大器则应设置在链路的末尾。噪声是由第一个放大器发挥主导作用的，三阶互调截交点则是最后一个放大器发挥主导作用的。在接收机选择性好的前提下,整个系统的带外三阶截点主要由第一级来决定,因此要尽量提高接收机前

级，尤其是第一级的选择性，而带内三阶截点则不受接收机选择性的影响,并且越

往后级,对整个系统三阶截点的影响越大,因而要改善接收机的带内三阶截点,必须提高后级各模块的三阶截点。在各模块三阶截点及选择性一定的情况下,还可以通过

适当安排各级的增益来提高接收系统的三阶截点[5,6]。

其次，自动增益控制系统AGC也能扩展接收机的动态范围。AGC系统能够有效地防止接收机饱和或过载，保证接收机具有足够的输入动态范围。但AGC适用于单个目标信号处理，不适用于多目标信号处理。在对具有高度随机性和时间很短的脉冲信号时，AGC环路的使用受到一定的限制。传统AGC方法只能适用于窄带信号处理，对宽带信号无能为力，而且反应时间长，与提高系统的反应速度相矛盾[7]。IF限幅器先对输入信号宽频带放大，通过设定一个门限值对信号电平进行限制，

再用窄频带放大，使输出信号电平在ADC的动态范围之内。使用IF限幅器的接收机，对噪声调频干扰有较好的抗干扰能力。带通IF限幅器在频率范围内灵敏度不

受大幅度杂波的影响，但当存在大功率信号时，限幅器将导致输出信号产生非线性谐波。IF限幅器适用于处理以频率为重要信息的信号，不适合用于需要幅度参数

的接收系统中。对数放大器是一个输入、输出信号幅度成对数函数关系的瞬时压缩动态范围装置，通过对输入信号幅度进行对数压缩来扩展接收机的动态范围。对数放大器有三个特点：第一，输入、输出信号幅度成对数关系，在对数精度范围内呈一一对应关系；第二，实现输入信号动态压缩，把大动态范围的输入信号压缩为小动态范围的输出信号，呈现增益自动控制特性，具有抗过载能力；第三，对信号进行瞬时处理。通常在对数放大器中可以得到大于100 dB的瞬时输入动态范围，相应的输出动态范围则与线性放大器的相同(20～30 dB)。在对数放大器后加上微分电路，还可以抑制杂波干扰。对数放大器在通信、雷达、电子对抗等领域得到了广泛的应用。但对数放大器的输出信号产生严重畸变，后端信号处理难度加大。在要求高精度PD的接收系统中不适用[4]。