扩频接收基带动态范围分析与探讨

胡正群,张 杰,施浒立,裴 军,杜晓辉

（中国科学院国家天文台,北京 100012）

扩频接收基带动态范围分析与探讨

胡正群,张 杰,施浒立,裴 军,杜晓辉

（中国科学院国家天文台,北京 100012）

接收信号动态范围已成为衡量接收基带性能的重要指标。对扩频卫星导航通信系统中的扩频通信接收基带动态范围从物理角度用数学方法进行了分析,阐述了扩频接收基带前端的射频系统对接收基带正常工作的影响,对扩频接收基带信号捕获门限进行了探讨分析,重点利用AD8310芯片设计了扩频接收基带自动增益控制（AGC）接口参考电平,可以实现扩频接收基带射频（RF）信号大动态范围的信号检测和控制。

卫星导航;扩频通信;基带;动态范围;三阶交调;虚警概率

1 引 言

无线卫星导航通信系统中,当两个或多个信号进入RF系统时,迭加信号会出现较高电平,从而使某些RF器件进入非线性工作区,高电平信号就会产生互调信号,造成后端接收基带虚假接收。同时,互调信号产生还会使噪声电平提高,恶化信道信噪比,产生更大的误码率,降低了接收基带对弱信号的搜索、捕获、跟踪、解调解扩的能力,即灵敏度会下降,形成信号漏捕或误捕。接收基带正常工作时,信号动态范围制约着接收基带的主要性能。本文对卫星导航通信系统中,扩频接收基带前端的射频系统对接收基带动态范围的影响进行了分析,基于概率论中虚警概率探讨了接收基带捕获门限;最后,着重利用AD8310芯片和AGC系统设计实现对信号大动态范围的接收。

2 扩频接收基带动态范围分析

本文分析的动态范围指接收基带能捕获上信号的动态范围,广义上来说,是一种线性动态范围,通过对接收基带前端的信噪比以及单载波电平值来分析判断接收基带的工作动态范围。RF接收端输入单频载波信号,并不断增加幅度,至其输出幅度比线性放大时减小1 dB,即1 dB压缩点对应的输入功率P1dB与最小可检测灵敏度Prmin之间的范围,常用dB数表示,如式（1）所示[1]:

由式（4）可以看到,输出信号产生了新频率分量信号,各次谐波和大多数交调产物都可以通过适当的滤波器滤除,通常三阶交调分量（2ω1-ω2,2ω2-ω1）对原始信号影响比较大,从幅度上来看,它和基频的量级一样,与输入信号幅度的三次方成正比,在某一输人信号的功率下,三阶交调分量的功率会与线性输出的功率相同。三阶交调分量的功率和线性输出的功率相同时的这一个功率点被称为三阶交调点（IP3）,分为输入三阶交调点（IIP3）和输出三阶交调点（OIP3）,如图1所示。另外,三阶交调分量频率比较靠近基频信号,它本身是非线性产生的干扰噪声,实际上折合成系统噪底,它会使系统性能恶化,可能真正成为虚假信号,致使扩频接收基带产生误获。

因此,三阶交调截取点IP3是一个衡量线性度或失真的重要指标。交调失真现象对模拟微波通信来说,会产生邻近信道的串扰;对于数字微波通信来说,它会降低系统的频谱利用率,使误码率提高,系统容量越大,对IP3要求越高。

图1 输入输出功率关系Fig.1 Relationship between input and output power

图1中最小可检测灵敏度Prmin（dBm）由式（5）给出[1],如果只考虑三阶交调分量（2ω1-ω2,2ω2-ω1）其中之一的情况,三阶交调点与1 dB压缩点的关系由式（6）和式（7）给出:

式中,K=1.38×10-23J/K,T0=293 K,B是有效噪声带宽（Hz）,FN为噪声系数,S/N为信噪比。因此,降低噪声带宽、噪声系数以及信噪比,都可以降低最小可检测灵敏度Prmin,由式（1）可知,这种情况可以提高线性动态范围（LDR）,本文扩频接收基带的带宽为6MHz,RF系统噪声系数为3.5 dB。

式（6）和式（7）表明,三阶交调点与1 dB压缩点之间存在一个线性关系。由式（1）可知,提高1 dB压缩点或者提高三阶交调点也可以提高线性动态范围,这种情况在实践中应用比较多,因为它完全取决于元器件的使用,实现起来比较容易,而且不会影响到系统的其它参数。

实际应用中,复杂的电磁环境使得多个信号进入RF接收端,从而在中频产生交调产物,影响到扩频接收基带的正常工作。无虚假响应动态范围（SFDR）与三阶交调点以及最小可检测灵敏度Prmin的关系如式（8）所示[1]:

因此,提高三阶交调点对于扩大扩频接收基带动态范围有重要的作用。

3 扩频接收基带门限分析

扩频接收基带处理一般采用非相干延迟锁相环对扩频信号进行捕获和跟踪,扩频码的同步捕获一般都需要将其相关峰值与一个门限值进行比较,从而判定扩频码是否同步[2]。扩频接收基带通过对带宽内能量作相关积分与门限值进行比较,当积分能量高于门限的时候,接收基带对信号捕获,进入位同步状态,位同步上以后,接收基带进入信号跟踪状态,包括码跟踪和载波跟踪。在此工作流程中,接收基带的检测门限是整个接收基带正常工作的第一步,在卫星扩频通信中,有效信号淹没在噪声底下,到达接收天线的电平大约在-130 dBm左右,属于弱信号范畴,过高的门限值使得接收基带对微弱信号无法捕获;过低的门限值使得接收基带误把噪声当成有用信号,接收基带对信号形成误捕,即产生虚警。扩频信号捕获检测原理图如图2所示。

图2 扩频信号捕获检测原理图Fig.2 Schematic diagram of spread-spectrum signal acquisition and detection

假定噪声的概率密度函数P（x）为高斯分布,基带信号I/Q两支路的噪声是统计独立的,σn为中频采样噪声方差,则信号包络的概率密度函数为

通常,接收基带的解扩采用一个符号周期作为积分积累时间,对噪声值进行积分累加,求得N个样本数的门限值之和作为最终的判断门限。以上分析都是基于在一个码片的时间内发生相位错误,信噪比一定的条件下进行的。因此,从门限值可以得出在输入信号载噪比一定的条件下所输入的最小信号功率,对于扩频信号数字处理而言它可以作为扩频信号捕获的门限值,当低于门限值时,扩频信号将无法完成捕获和跟踪[4]。

4 扩大扩频接收基带接收信号动态范围

在卫星通信系统中,多普勒频移现象的普遍存在、高密度电磁环境等因素的影响,进入接收基带的信号频谱很多,最终都表现为杂波和干扰信号,大动态范围对接收基带而言显得相当重要。大动态范围的输入信号的变化会引起相关解调器输出信号电平的变化,从而降低扩频码同步捕获的概率和同步跟踪精度,AGC系统改变了接收基带的传输函数,使得接收基带的输出信号总功率保持不变或者变化不大,能够有效防止接收基带饱和或过载,可以保证接收基带具有足够的输入动态范围,提高了接收基带性能。

AD8310是ADI公司生产的一款高速电压输出型对数放大器,通过对输入信号幅度进行对数压缩可以扩展接收基带的动态范围。AD8310也是一款高频、宽带、宽动态检波器,具有小体积、低功耗、高精度,高稳定性、宽动态范围等优点[5],可以对频率从直流到440MHz的宽带信号,幅度从44 μ V到2.2 V的输入信号检波处理,以24 mV/dB的比率输出直流电平,非常有利于作为AGC电路的反馈控制电压。此外,AD8310响应时间快,在15 ns内对接地负载的驱动电流可达25 mA,能瞬时处理信号,可以通过输出直流电压值的变化清晰地指示接收基带信号的强度。

通过以上分析可以得到,接收基带的捕获门限与接收基带相关积分器输出包络信号有直接的关系,因此,可以将I/Q支路信号包络通过AD8310芯片转换成直流电压作为扩频接收基带AGC系统的参考值。扩频接收基带AGC系统框图如图3所示。

图3 扩频接收基带AGC系统框图Fig.3 AGC system block diagram of spread spectrum receiver baseband

为了使射频系统输出信号的功率基本保持恒定状态,需要提供两个AGC检测器来对信号进行处理:接收基带扩频码未获得捕获前由AGC检测器1来提供AGC信号,扩频码获得捕获后由AGC检测器2来提供AGC信号。在试验调试的链路中,接收基带门限设计是以基带信号处理后可以捕获跟踪信号作为依据,AD8310本身具有100 dB左右的瞬时输入处理动态范围,因此,可以保证在大的输入射频信号的动态范围内快速完成基带信号处理。

5 结束语

从以上分析可以得到,接收信号动态范围与接收基带前端RF系统的三阶交调点存在正比例的关系,提高三阶交调点能够提高信号线性动态范围。在卫星导航通信系统中,接收基带的捕获门限要根据链路余量的要求设计,不可过高或过低,否则不能捕获信号或者形成误捕。高线性、大动态范围的扩频接收基带是卫星导航通信系统接收终端的发展方向,本文重点利用AD8310芯片设计电路将有效带宽内噪声（包含扩频信号）能量转换成直流电压设计为接收基带AGC参考电平,使系统可以实现射频信号较大动态范围的控制,在卫星导航通信接收系统中有一定的参考意义。

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Sp read Spectrum Receiver′s Dynamic Range:Analysis and Discussion

HU Zheng-qun,ZHANG Jie,SHI Hu-li,PEI Jun,DU Xiao-hui
（National Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012,China）

The dynamic range of

signal has become the important measurement index of receiver baseband performance.In the satellite navigation and communications system,the dynamic range of spread spectrum receiver baseband is analysed with mathematical methods from physical point of view.The effect of the spread spectrum receiver baseband′s front-end RF system on the normal operation of receiver is explained,the spread spectrum receiver baseband′s signal acquisition threshold is discussed.Especially,AD8310 is used as the interface reference electric level of AGC（automatic gain control）to realize RF receiving signal control in large dynamic range.

satellite navigation;spread spectrum communication;baseband;dynamic range;third-order intermodu lation;probability of false alarm

The National Basic Research Program ofChina（973 Program）（No.2007CB815500）;The National Natural Science Foundation of China（No.61001109）

TN927

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.021

1001-893X（2010）11-0100-04

2010-08-13;

2010-11-08

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2007CB815500）;国家自然科学基金资助项目（61001109）

胡正群（1981-）,男,广西桂林人,硕士,研究实习员,主要研究方向为扩频通信、卫星通信;

HU Zheng-qun was born in Guilin,Guangxi Zhuang Autonomous Region,in 1981.He is now an intern researcher with the M.S.degree.His research interests include spreading spectrum communication and satellite communication.

Email:huzq@nao.cas.cn

张 杰（1983-）,男,安徽蚌埠人,硕士,研究实习员,主要研究方向为扩频通信、信道编码;

ZHANG Jie wasborn in Bengbu,Anhui Province,in1983.He is now an intern researcher with the M.S.degree.His research interests include spreading spectrum communication and channel coding.

施浒立（1944-）,男,浙江余姚人,研究员、博士生导师,主要研究方向为导航通信一体化;

SHI Hu-li was born in Yuyao,Zhejiang Province,in 1944.He is now a senior engineer of professor and also the Ph.D.supervisor.His research direction is the integration of navigation and communication of satellite.

裴 军（1963-）,男,北京人,研究员、硕士生导师,主要研究方向为导航通信一体化;

PEI Junwas born in Beijing,in1963.He is now a senior engineer of professor.His research direction is the integration of navigation and communication of satellite.

杜晓辉（1982-）,女,山东济宁人,博士研究生,主要研究方向为扩频通信、卫星通信。

DU Xiao-hui was born in Jining,Shandong Province,in 1982.She is currently working toward the Ph.D.degree.Her research interests include spreading spectrum communication and satellite communication.