宽带数字接收机性能指标的研究

2018-07-10张信民

雷达与对抗 2018年2期

张信民，董　娜，肖　力

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0　引　言

模拟接收机主要是在晶体检测器后进行数字信号处理，而数字接收机则用ADC取代了晶体检测器，使得更多的信息被保留并进入数字信号处理。[1]从上世纪90年代开始，各种商品化的宽带、高速ADC应用满足了宽带数字信号处理技术应用的需求，从而促进了宽带数字接收机的应用和发展。因此，接收机在引入ADC后的性能指标就十分值得研究，特别是灵敏度和瞬时动态范围的极限值更加值得关注。[2]本文主要研究了宽带数字接收机的增益、灵敏度、瞬时动态范围、带宽ADC有效位数、ADC采样率这几个指标互相影响和制约的关系，并给出理论公式用于指导设计。

1　宽带数字接收机指标计算

宽带数字接收机一般由前端射频链路和ADC模块组成，如图1所示。前端射频链路对接收到的射频微波信号进行低噪声放大、下混频、滤波等。ADC模块对中频信号进行量化输出数字信号。

1.1　射频链路的主要性能指标计算

多个射频模块级联总增益按下式计算：

GRF=G1G2，…，Gn

(1)

或

GRF(dB)=G1(dB)+G2(dB)+…+Gn(dB)(2)

多个射频模块级联总噪声系数按下式计算：

(3)

多个射频模块级联总输出三阶截点按下式计算：

(4)

1.2　三阶交调产物计算

计算接收机的三阶交调产物是利用三阶截点[4]。三阶截点与接收机输入输出信号功率的关系如图2所示。理论上当输入信号增加1 dB三阶交调产物增加3 dB。

根据图2，可以得出接收机输出三阶交调产物功率P3为

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

(5)

因为Po=Pi+G，那么

(6)

1.3　ADC模块的主要性能指标计算

对于ADC模块主要关心其动态范围，动态上限为ADC不饱和输入的最大电平Vs，下限为ADC的量化噪声电平。可以通过下式计算ADC的信噪比SNR。

SNR=6.02b+1.76(dB)

(7)

式中b为ADC的理想位数，通常由于其他各种原因ADC的有效位数beff并不能做到与b一致。通过图3所示的测试框图和结果[3]，可以计算出ADC的有效位数beff。

一般根据ADC器件手册中给出的SNR或者SINAD值计算。

(8)

1.4　射频链路和ADC模块级联的噪声系数、灵敏度和动态范围计算

如图1所示的宽带数字接收机原理框图，射频链路和ADC模块级联后，可将ADC模块当作一个外加噪声源，则总的噪声功率NS=No+Nb[1]。其中，Nb=Q2/12，Q为ADC模块的量化电平。需要注意的是，此处的量化噪声电平指的是ADC模块有效位数的量化噪声电平，而不是标称位数的量化噪声电平。那么，宽带接收机的系统噪声系数可由下式计算得出。

(9)

或

Fs=Ns-GRF-BRF-NPSD(dB)

其中NPSD=-174 dBm/Hz(热噪声功率谱密度)。

如果定义M=No/Nb，M′=M+1,则

(10)

级联后的系统灵敏度恶化ΔP为

级联后的系统动态范围恶化ΔDR为

根据公式(10)、(11)和(12)可以推导出ΔP、ΔDR、和No/Nb的关系如图4所示。当No/Nb=1时，从公式(10)可以得出系统噪声系数等于射频链路的2倍，即系统噪声系数相对于射频链路恶化了3 dB，此时ΔP、ΔDR均恶化3 dB。当No/Nb<1时，从公式(10)可以得出系统噪声系数将会较高，即ADC模块的量化噪声决定了系统噪声系数，同时系统灵敏度会变差，系统动态范围较好。当No/Nb>1时，从公式(10)可以得出系统噪声系数也会恶化，当增大到一定值时，系统噪声系数接近射频链路的噪声系数将不会恶化，但是此时系统的动态范围将会损失很多。因此，ΔP、ΔDR、和No/Nb三者必须折中考虑，选取适合接收机要求的值。

2　射频链路与ADC模块的匹配

由于目前器件性能的限制，宽带数字接收机一般都是首先选择合适的ADC模块后再对射频链路进行设计，使得二者达到最佳匹配，从而使得宽带数字接收机达到较好灵敏度和动态范围性能(虽然二者是相互矛盾的，需要折中选取合适的指标)。

2.1　射频链路的增益影响

从1.4节分析可以看出，当宽带数字接收机设计中选定了ADC模块，则影响整个系统灵敏度和动态范围性能的参数为射频链路输出的噪声功率No。而No的大小则又取决于射频链路的增益。因此，宽带接收机系统系统灵敏度和动态范围指标直接受到射频链路增益的影响。

2.2　射频链路和ADC模块级联的阻抗匹配影响

一般射频链路的阻抗为RRF=50 Ω，而ADC的阻抗Ra不一定为50 Ω。因此，二者级联后会造成系统增益降低。一般把这个增益恶化用失配因子Mm来表示[5]。该因子按下式计算：

(13)

那么，射频链路的增益(即系统的增益)修正为

Gs=GRF+Mm(dB)

(14)

2.3　射频链路和ADC模块级联的匹配条件

当宽带数字接收机考虑到同时最多会收到两个信号时，一般用双音无杂散动态范围作为接收机的动态范围指标。此时的射频链路和ADC模块级联的匹配条件为宽带数字接收机系统接收的最大双音信号产生的交调产物与系统的噪声功率一致，此时输入的每个双音信号功率要比ADC模块满幅功率小6 dB，如图5所示。

匹配条件公式为

P3=NPSD+Gs+Bv+Fs(dBm)

(15)

其中BV为数字接收机系统最小带宽。

根据公式(5)和(15)，可以得出OIP3为

(16)

3　仿真分析

3.1　仿真参数

举一个例子说明宽带数字接收机系统设计时的指标计算。通常通过调整射频链路的增益值来均衡灵敏度和动态范围指标。假设接收机的指标参数如下：

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

3.2　仿真结果

根据以上各节推导的计算公式，可以得出如所图6示的在不同射频链路增益条件下宽带数字接收机的系统噪声系数、动态范围、灵敏度等指标。

可以从仿真结果来看，射频链路增益会影响宽带数字接收机的灵敏度和动态范围。高增益具有高灵敏度和较低的动态范围，低增益具有较低的灵敏度和较高的动态范围。设计系统时，可以在动态范围(或者OIP3)与灵敏度之间这种选择最佳满足系统要求的一组值，同时确定射频链路的增益。需要注意的是，从以上分析得到的射频链路增益一定等于选定的值，而OIP3则是最小值。