寬帶數字接收機性能指標的研究

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范圍，動態上限為ADC不飽和輸入的最大電平Vs，下限為ADC的量化噪聲電平。可以通過下式計算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)

級聯后的系統靈敏度惡化ΔP為

級聯后的系統動態范圍惡化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)可以得出系統噪聲系數等于射頻鏈路的2倍，即系統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)可以得出系統噪聲系數將會較高，即ADC模塊的量化噪聲決定了系統噪聲系數，同時系統靈敏度會變差，系統動態范圍較好。當No/Nb>1時，從公式(10)可以得出系統噪聲系數也會惡化，當增大到一定值時，系統噪聲系數接近射頻鏈路的噪聲系數將不會惡化，但是此時系統的動態范圍將會損失很多。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，則影響整個系統靈敏度和動態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，寬帶接收機系統系統靈敏度和動態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范圍作為接收機的動態范圍指標。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接收的最大雙音信號產生的交調產物與系統的噪聲功率一致，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噪聲系數、動態范圍、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范圍。高增益具有高靈敏度和較低的動態范圍，低增益具有較低的靈敏度和較高的動態范圍。設計系統時，可以在動態范圍(或者OIP3)與靈敏度之間這種選擇最佳滿足系統要求的一組值，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的增益、靈敏度、動態范圍的關系，這對寬帶數字接收機的設計具有一定的指導意義。