VHF/UHF波段接收機動態(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)字部分實現(xiàn)下變頻、濾波、解擴、解調(diào)、信號識別和信息提取等功能，為了發(fā)揮DIFR強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。文中針對多射頻接收鏈路的數(shù)字機頂盒設(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)備正常工作時所允許的輸入信號強度范圍。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。

在實際應(yīng)用中，常把接收機靈敏度作為接收設(shè)備的最小可辨信號功率PRF_min，但是，接收機靈敏度并不是一個基本量。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，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，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 瞬時動態(tài)范圍與擴展動態(tài)范圍

由于AGC技術(shù)在數(shù)字中頻接收機RFAF中的使用，RFAF的增益會隨著天線接收到的信號進行相應(yīng)調(diào)整。當RFAF的增益G和噪聲系數(shù)NF確定時，輸入信號的動態(tài)范圍被稱為瞬時動態(tài)范圍P_TD。

根據(jù)式(2)和式(3)可知，當RFAF的增益G和噪聲系數(shù)NF改變時，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，瞬時動態(tài)范圍進行“搬移”。因此，擴展動態(tài)范圍P_WD可被理解為瞬時動態(tài)范圍P_TD“搬移”后的整個動態(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)字機頂盒設(shè)備的射頻模擬前端，其基本結(jié)構(gòu)相當于整合3個單射頻接收鏈路，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[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：