VHF/UHF波段接收機(jī)動態(tài)范圍問題研究

引言
    目前覆蓋甚高頻(VHF，頻率范圍30～300 MHz)和1 GHz以下的特高頻(UHF，頻率范圍300 MHz～3 GHz)波段的無線圖像接收設(shè)備，諸如數(shù)字機(jī)頂盒(STB)多采用數(shù)字中頻接收方式。與傳統(tǒng)超外差式接收設(shè)備相比，數(shù)字中頻接收設(shè)備(DIFR)是對中頻信號直接采樣，然后在數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)下變頻、濾波、解擴(kuò)、解調(diào)、信號識別和信息提取等功能，為了發(fā)揮DIFR強(qiáng)大的軟件無線電功能，并使其能在復(fù)雜電磁環(huán)境中或電子干擾環(huán)境中可靠通信，要求DIFR必須具有寬帶和大動態(tài)工作能力。
    射頻模擬前端(RFAF)和對模擬中頻信號進(jìn)行帶寬采樣的A／D轉(zhuǎn)換器是DIFR的關(guān)鍵部分，在很大程度上制約著DIFR的動態(tài)范圍指標(biāo)。文中針對多射頻接收鏈路的數(shù)字機(jī)頂盒設(shè)備，以常規(guī)RFAF模型對其調(diào)諧器(Tuner)模塊仿真，分析出影響其瞬時(shí)動態(tài)范圍的因素之一是射頻自動增益控制(RF AGC)電路的增益步長，并通過對模型的分析及優(yōu)化，再次仿真，分析出數(shù)字機(jī)頂盒設(shè)備中的中頻自動增益控制(IFAGC)電路能夠緩解由RF AGC電路引起的瞬時(shí)動態(tài)范圍波動變化。

2 動態(tài)范圍分析
2．1 廣義動態(tài)范圍定義
    接收設(shè)備的動態(tài)范圍表示接收設(shè)備正常工作時(shí)所允許的輸入信號強(qiáng)度范圍。動態(tài)范圍(D)可定義為：

   
式中，PRF_max為最大輸入信號功率，PRF_min為最小可辨信號功率，單位為dBm。
    在實(shí)際應(yīng)用中，常把接收機(jī)靈敏度作為接收設(shè)備的最小可辨信號功率PRF_min，但是，接收機(jī)靈敏度并不是一個(gè)基本量。由于數(shù)字中頻解調(diào)端接收信號的調(diào)制方式不同，要求數(shù)字中頻信號有不同的最小信噪比以滿足正常解調(diào)，同時(shí)，常溫下由中頻信號帶寬決定的噪聲底限(簡稱噪底)、RFAF的噪聲系數(shù)NF以及A/D轉(zhuǎn)換器帶寬采樣的增益也對靈敏度有一定的影響，這些因素與接收機(jī)靈敏度之間的關(guān)系為：

   
式中，-174 dBm+10logB為接收設(shè)備的噪底，10log(f/2B)為A/D轉(zhuǎn)換器帶寬采樣增益；B為中頻信號帶寬，單位是：Hz；S為接收設(shè)備的靈敏度，單位是dBm；NF為噪聲系數(shù)；SNRADC_min為數(shù)字中頻解調(diào)端期望的最小信噪比；fs為中頻采樣速率；此時(shí)，最大可輸入信號PRF_max是指接收設(shè)備可接收的最大不阻塞信號，主要由RFAF的增益G和A／D轉(zhuǎn)換器的滿度輸入功率PF確定，其關(guān)系表示為：

2．2 瞬時(shí)動態(tài)范圍與擴(kuò)展動態(tài)范圍
    由于AGC技術(shù)在數(shù)字中頻接收機(jī)RFAF中的使用，RFAF的增益會隨著天線接收到的信號進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)RFAF的增益G和噪聲系數(shù)NF確定時(shí)，輸入信號的動態(tài)范圍被稱為瞬時(shí)動態(tài)范圍P_TD。
    根據(jù)式(2)和式(3)可知，當(dāng)RFAF的增益G和噪聲系數(shù)NF改變時(shí)，系統(tǒng)最大可接收信號功率和靈敏度也會產(chǎn)生一定的變化，即隨著RFAF增益的變化，瞬時(shí)動態(tài)范圍進(jìn)行“搬移”。因此，擴(kuò)展動態(tài)范圍P_WD可被理解為瞬時(shí)動態(tài)范圍P_TD“搬移”后的整個(gè)動態(tài)范圍。

3 調(diào)諧器電路結(jié)構(gòu)及仿真
    調(diào)諧器作為數(shù)字機(jī)頂盒設(shè)備的射頻模擬前端，其基本結(jié)構(gòu)相當(dāng)于整合3個(gè)單射頻接收鏈路，并且由專用的PLL控制電路控制。調(diào)諧器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    與文獻(xiàn)[4]中提出的單射頻接收鏈路模型(如圖2)近似，調(diào)諧器內(nèi)部的PLL控制電路含有RF AGC控制功能，根據(jù)中頻放大器輸出的信號生成RF AGC信號并反饋至輸入級放大器，控制輸入級信號的放大量。由此，基于常規(guī)RFAF模型對調(diào)諧器模塊仿真。

    設(shè)其工作帶寬B=8 MHz,最小期望解調(diào)信噪比SNRmin=10 dB，要求的輸入信號范圍-110～-10 dBm，選用ADI公司的AD9203作為中頻采樣器件，其分辨率為10 bit，最高采樣頻率為fs=40 MHz，滿度輸入功率為PF=4 dBm，信噪比SNRADC=60 dB，分別對3路不同頻段的射頻接收鏈路仿真。根據(jù)式(2)可知，系統(tǒng)的噪底約-105 dBm，則輸入A／D轉(zhuǎn)換器的最小可靠解調(diào)信號的功率為：
   

    由圖3a可見，當(dāng)系統(tǒng)的靈敏度確定后，系統(tǒng)的瞬時(shí)動態(tài)范圍分非增益控制階段和增益控制階段。當(dāng)天線接收到的輸入信號功率較小時(shí)，RFAF增益不變，RFAF處于非增益控制階段，此時(shí)數(shù)字接收機(jī)的瞬時(shí)動態(tài)范圍基本不變。由圖3b可見，當(dāng)天線接收到的輸入信號功率過大，RFAF電路進(jìn)行增益控制時(shí)，隨著各個(gè)射頻鏈路的RF AGC增益步長的不同，系統(tǒng)瞬時(shí)動態(tài)范圍所受影響也不同。雖然可以通過減小RF AGC的步長，使數(shù)字機(jī)頂盒的瞬時(shí)動態(tài)范圍處于一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但會造成其工作不穩(wěn)定。
    通過對上述結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)造成此問題的原因是模型中并沒有IF AGC電路的參數(shù)，只是驗(yàn)證了RF AGC電路的增益控制對數(shù)字接收機(jī)動態(tài)范圍指標(biāo)的影響。由于RF AGC與IF AGC所要實(shí)現(xiàn)的目的不同，RF AGC為了滿足更大的輸入動態(tài)范圍，應(yīng)滿足小信號放大和大信號衰減的特性，因此需要有較寬的增益控制范圍；而從減少中頻采樣時(shí)的噪聲考慮，為了使中頻輸出信號的幅度變化足夠小(理想的輸出信號幅度變化應(yīng)為零)，IF AGC電路須具有良好的線性控制特性嘲。

4 仿真優(yōu)化及分析
4．1 仿真模型建立
    為了同時(shí)滿足數(shù)字機(jī)頂盒穩(wěn)定工作和良好的瞬時(shí)動態(tài)范圍波動變化要求，優(yōu)化仿真模型，采用較大增益步長的RFAGC電路，對天線接收到的信號進(jìn)行第一次范圍壓縮，并使數(shù)字機(jī)頂盒穩(wěn)定工作；通過中頻輸出端的IF AGC電路進(jìn)行第二次范圍壓縮，緩解由RF AGC步長過大而導(dǎo)致數(shù)字機(jī)頂盒設(shè)備瞬時(shí)動態(tài)范圍波動的問題?；诖讼敕?，并參照調(diào)諧器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖1)設(shè)計(jì)新仿真模型，如圖4所示。

    根據(jù)低噪聲放大器(LNA)和各波段RF AGC電路的增益調(diào)節(jié)，計(jì)算出MAF輸入端接收到的信號范圍由-110～－10dBm分別壓縮至-64～-24 dBm、-70～-33 dBm和-68．5～-23．5dBm，其總的信號動態(tài)范圍是-70～-23 dBm，壓縮了63 dB，增益控制范圍不變。同時(shí)由于最大增益和最小增益都減小了20 dB，相當(dāng)于為IF AGC電路提供了40 dB的增益調(diào)節(jié)范圍，且IF AGC的最小增益為20 dB。
    為增加新仿真模型的可靠性，進(jìn)一步調(diào)整MAF的增益：由上述仿真得出的平均結(jié)果G3=-8 dB調(diào)整為G3=1O dB，相當(dāng)于對其輸出信號的功率增加約20 dB，即-50～3 dBm。與調(diào)整后的RF AGC參數(shù)相加，結(jié)果相當(dāng)于IF AGC電路的最小增益下降為0 dB,而其40 dB的有效增益調(diào)節(jié)范圍不變。由于RF AGC電路的增益調(diào)節(jié)，使得輸入IF AGC電路的信號范圍相對較小，因此IF AGC電路的增益步長可以較短，此處設(shè)IF AGC電路的增益調(diào)節(jié)步長GSIF=3 dB。同時(shí)，由于IFAGC電路處于RFAF的后端，其噪聲系數(shù)對RFAF的噪聲系數(shù)影響也較小，可設(shè)IF AGC電路的最小噪聲系數(shù)NFIF=4dB。
4．2 仿真結(jié)果分析
    通過對上述修正后的模型仿真，得到如圖5所示的結(jié)果。

    與圖3a比較發(fā)現(xiàn)，由于調(diào)整了RFAF增益的分配，圖5a中非增益控制階段有所減小，即系統(tǒng)的增益起控點(diǎn)降低，但對系統(tǒng)的影響不大；通過圖5b可以發(fā)現(xiàn)，在增益控制階段，經(jīng)過IF AGC器件的二次增益調(diào)節(jié)后，數(shù)字機(jī)頂盒的瞬時(shí)動態(tài)范圍變化曲線有了明顯的修正。

5 結(jié)論
    在多射頻接收鏈路仿真模型中增加IF AGC器件，同時(shí)調(diào)整RF AGC器件的增益參數(shù)，可以保證在不影響調(diào)諧器模塊總增益的情況下，實(shí)現(xiàn)二次增益調(diào)節(jié)。通過上述優(yōu)化，RFAF既可以維持較為穩(wěn)定的工作狀態(tài)，又可以減小由RF AGC電路引起的瞬時(shí)動態(tài)范圍的波動變化，使得仿真結(jié)果中的瞬時(shí)動態(tài)范圍變化曲線近似于線性。該研究結(jié)果有助于解決RFAF瞬時(shí)動態(tài)范圍波動問題，對實(shí)現(xiàn)多射頻鏈路數(shù)字中頻接收機(jī)大動態(tài)范圍穩(wěn)定接收提供了一個(gè)有效的解決方案。