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

中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所 徐利兵 李延飛 田發(fā)林

針對數(shù)字接收機(jī)中射頻通道增益設(shè)置差異對不同應(yīng)用場景下信號接收質(zhì)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(guān)系以及射頻通道和A/D轉(zhuǎn)換器之間噪聲功率譜密度的相對關(guān)系確定射頻通道增益配置，進(jìn)一步給出了該方法的實(shí)施步驟，并通過實(shí)物驗(yàn)證了方法的有效性和適應(yīng)性。

隨著高性能A/D轉(zhuǎn)換器的快速發(fā)展以及數(shù)字混頻、濾波等在芯片內(nèi)高密度集成，數(shù)字接收機(jī)在通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。典型數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，數(shù)字接收機(jī)主要由接收天線、接收天線與A/D轉(zhuǎn)換器之間的射頻通道和包含A/D轉(zhuǎn)換器與信號處理的數(shù)字化采集處理部分組成。決定接收機(jī)接收信號質(zhì)量的重要指標(biāo)主要包括靈敏度和動態(tài)范圍，它們由射頻通道和數(shù)字化采集處理部分共同決定。隨著A/D轉(zhuǎn)換器有效位的提高，數(shù)字接收機(jī)靈敏度和動態(tài)范圍主要受限于射頻通道性能。在不同領(lǐng)域不同場景下，系統(tǒng)要求數(shù)字接收機(jī)的靈敏度和動態(tài)范圍能根據(jù)具體場景最優(yōu)適配。噪聲系數(shù)、1dB壓縮點(diǎn)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(shù)減小，靈敏度增加，1dB壓縮點(diǎn)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(shù)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(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

本文基于信噪比檢測模型推導(dǎo)出通道增益與靈敏度的普適數(shù)學(xué)關(guān)系式，從靈敏度計(jì)算公式出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)際，考慮靈敏度優(yōu)先和動態(tài)優(yōu)先兩種典型應(yīng)用場景，分別提出了射頻通道增益的配置方法和相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)步驟。

圖1 典型數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖

其中，F(xiàn)表示接收機(jī)噪聲系數(shù)，F(xiàn)n表示接收機(jī)中各單元的噪聲系數(shù)，表示接收機(jī)中各單元的增益值，DR1db表示接收機(jī)1dB壓縮點(diǎn)動態(tài)范圍（dB），Pout,1db表示接收機(jī)級聯(lián)輸出1dB壓縮點(diǎn)（dBm），G表示接收機(jī)級聯(lián)增益值（dB），SEN表示接收機(jī)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(jī)視頻檢測帶寬（dB?MHz），NF表示接收機(jī)的噪聲系數(shù)（NF=10log10F，dB），D表示接收機(jī)檢測門限（dB）。

1 射頻通道增益與接收機(jī)靈敏度間關(guān)系推導(dǎo)

根據(jù)式(3)可知，從接收機(jī)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(jī)檢測點(diǎn)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(jī)中A/D轉(zhuǎn)換器前射頻通道級聯(lián)噪聲系數(shù)，Nb為接收機(jī)中A/D轉(zhuǎn)換器帶來的噪聲功率譜密度（dBm/MHz），No表示接收機(jī)在檢測前射頻通道與A/D轉(zhuǎn)換器級聯(lián)噪聲功率譜密度（dBm/MHz）。

在式(7)中，當(dāng)時，等價(jià)為在射頻通道噪聲系數(shù)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(jī)靈敏度與式(7)中對應(yīng)的最優(yōu)接收機(jī)靈敏度接近。當(dāng)，等價(jià)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(jī)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(shè)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(zhuǎn)換器噪聲功率譜密度滿足兩類相對關(guān)系可適應(yīng)不同應(yīng)用場景下對數(shù)字接收機(jī)靈敏度、動態(tài)范圍的需求。

為指導(dǎo)工程應(yīng)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(shù)Grad(dB)=Na－Nb，聯(lián)立式(3)和式(7)，可得接收機(jī)噪聲系數(shù)與射頻通道噪聲系數(shù)、落差系數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)式為：

圖2顯示接收機(jī)噪聲系數(shù)和間關(guān)系。

圖2 接收機(jī)噪聲系數(shù)惡化程度和落差系數(shù)之間的關(guān)系

2 不同場景下射頻通道增益配置方法

為指導(dǎo)工程應(yīng)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(shí)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(shù)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(shù)字接收機(jī)。

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(fù)載，采集原始數(shù)據(jù)，計(jì)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(shù)Grad值；（4）測量射頻通道噪聲系數(shù)NFRF；（5）帶入式(9)計(jì)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(jī)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(shù)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(jī)視頻檢測帶寬Bv；（3）確定接收機(jī)檢測門限D(zhuǎn)；（4）確定接收機(jī)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(jì)算獲得射頻通道增益配置值，記為Gs；（8）復(fù)驗(yàn)是否滿足。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本節(jié)基于圖1構(gòu)建數(shù)字接收機(jī)，通過變頻后中頻衰減實(shí)現(xiàn)靈敏度優(yōu)先模式下級聯(lián)增益調(diào)整，通過變頻前射頻衰減實(shí)現(xiàn)動態(tài)優(yōu)先模式下級聯(lián)增益調(diào)整。接收機(jī)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(jī)檢測門限取值14dB，接收機(jī)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(yīng)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(yīng)中頻分別為1.4GHz、1.7GHz、2.2GHz，不同模式下靈敏度理論值與實(shí)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(shí)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(yīng)的接收機(jī)靈敏度理論計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合，且對應(yīng)策略下的靈敏度和動態(tài)范圍值有明顯改善。

總結(jié)：本文從數(shù)字接收機(jī)檢測模型出發(fā)，推導(dǎo)了射頻通道增益與靈敏度間具有普適意義的數(shù)學(xué)關(guān)系式，提出了適應(yīng)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(shí)施步驟，并通過接收機(jī)系統(tǒng)實(shí)物構(gòu)建以及關(guān)鍵參數(shù)調(diào)整測試，驗(yàn)證了該方法的理論與實(shí)際吻合度以及方法的有效性。