大动态宽带数字中频接收机的优化设计

摘　要: 结合D IFR 现有的工程实现技术, 研究其优化设计技术L对3 种典型的RFA F (射频模拟前端) 电路做了对比分析和仿真, 讨论了适用于大动态宽带D IFR 的RFA F 电路结构及性能特点, 给出了一种新的数字RF A GC 控制电路L以一个带宽为10MHz, 动态范围为- 100～ - 10 dB, 采样频率为80MHz 的D IFR 设计为例, 研究了RF 模拟前端各部分的指标分配与整机性能指标设计, 导出了RFA F 的增益、噪声系数与D IFR 的动态范围和RF A GC的增益控制代码之间的关系, 并给出了仿真结果。

关键词: 宽带接收机; 大动态; 数字中频; 优化设计

　　设计大动态宽带D IFR (数字中频接收机) 需要解决很多关键技术问题, 包括高速高精度信号采集、宽带和大动态RFA F (射频模拟前端) 以及高速实时数字信号处理技术等。目前国内外有关D IFR 的研究主要集中在一些较理想的系统或局部技术问题等层面, 很少深入研究RFA F 的电路结构与指标分配、线性动态范围及其扩展等问题。而进行大动态宽带D IFR 优化设计时, 恰恰需要首先解决这些问题。作者基于最新的D IFR 关键器件的技术指标, 从多方面研究D IFR 的优化设计技术。通过对3种典型的RFA F 电路进行对比分析和仿真, 讨论了适用于大动态宽带D IFR 的RFA F 电路结构及性能特点, 给出了一种新的可变增益调节步长的全数字RF A GC 控制电路, 优化设计了宽带大动态D IFR, 导出了各项关键技术指标之间的约束关系,给出了仿真结果。

　RFAF 电路结构与性能仿真

RFA F 电路的主要功能是对接收的多模式、多载波RF 信号进行宽带放大、变频和抗混叠滤波处理后, 输出可供ADC 直接采样的IF (中频) 信号LD IFR 的RFA F 电路并不具有实际意义上的信道化功能。但与传统接收机相比, 由于经过RFA F 放大和处理的信号非常复杂, 其带宽、频率分布和功率强弱往往存在较大差别。如果RFA F 没有足够的带宽和线性动态范围, 将会导致宽带有用信号的频带受损, 以及大信号淹没小信号, 甚至出现阻塞信道的现象, 从而使通信系统的可靠性和有效性严重下降。因此,D IFR 的RFA F 必须是宽带和大动态的。

为了使RFA F 具有更大的动态范围, 通常需要在RF 或IF 部分接入A GC 电路, 如图1 所示。图1a是利用IF 部分的V GA (可变增益放大器) 实现IFA GC 功能的一种RFA F 电路及其仿真的双音交调频谱图。从图1a 中可以看出, 当RF 端输入大幅度双音信号(- 10 dB) 时, 输出的IF 信号产生严重的交调和互调失真, 有用的信号基本上被交调和互调产物淹没。导致这种结果的主要原因是RF 到IF 部分的LNA (低噪放) 和混频器的线性动态范围有限,1dB 压缩点不可能很高。

图1b 是在天线和RFLNA 之间加入EWR (电调衰减器) 实现RF AGC功能的另一种RFA F 电路及其仿真的双音交调频谱图。当RF 端输入大幅度双音信号(- 10 dB) 时,输出IF 信号的三阶交调产物很小, 系统的线性保持得非常好。但这种电路由于EWR 存在着较大的插损, 导致系统本底噪声(或噪声系数) 大大增加, 使D IFR 的接收灵敏度下降较多。为了兼顾D IFR 的灵敏度和线性动态范围, 综合图1a 和图1b 的优点, 把EWR 置于RF LNA 之后, 如图1c 所示。该电路利用RF LNA 的增益抵消EWR 的插损, 从仿真的双音交调频谱图中可以看出, 其三阶交调分量较小, 系统本底噪声(或噪声系数) 也较小。因此, 这种电路适合大动态宽带D IFR, 能很好地满足接收灵敏度和线性动态范围的需求。

　数字RF AGC 控制电路

与模拟A GC 相比, 数字A GC 具有可实现更灵活的控制算法, 响应速度快, 寄生调幅小, 系统性能稳定, 且容易满足“快充慢放”等特点。作者设计了基于FPGA 的全数字RF A GC 控制电路(图2)。为获得RFA F 通道中信号的真实功率信息, 输入信号x (n) 采用A/D 变换后未经任何处理的数字信号,经过数字整流、积分、抽取滤波等处理, 输出调节RFA F 电路中EWR 的衰减量的增益控制代码C (n)。各变量之间的关系为

式中　N 为积分运算的样本个数;M 为C IC 滤波器的抽取率; G 为增益补偿系数; $P 为功率偏移补偿量Z x (n) 经过数字整流、积分、C IC 抽取滤波以及幅度和增益补偿后, 得到RFA F 通道内信号的功率信息g (n) , 并与最大和最小功率门限P_max和P_{m in}进行比较, 生成增益代码C (n) Z 该电路的显著特点为增益调节步长可变, 消除了均方运算和对数运算。

电路工作时, 当g (n) > P_max时, 窗口比较器输出信号Y ₁ 有效, 代码生成电路输出增益代码C (n) + 1,使EWR 的衰减量增加一个步长; 当g (n) < P_{m in}时,窗口比较器输出信号Y ₂ 有效, 启动延时计数器开始加1 计数Z在该计数器计数产生溢出之前, 如出现了g (n) ≥P_{m in} , 则该计数器被复位, 否则当该计数器计数溢出时, 输出信号Y ₃ 有效, C (n) - 1, 使EWR 的衰减量减少一个步长; 当P_{m in}≤g (n) ≤P_max时, C (n)保持不变。

　DIFR 的优化设计实例与性能仿真

以工作带宽B = 10 MHz, 动态范围P l =- 100～ - 10 dB, 中频采样频率f _s = 80 MHz 的D IFR 设计为例, 介绍大动态宽带D IFR 的设计方法。

大动态宽带D IFR 的系统框图如图3。为便于分析和计算, 把EWR 输出端到ADC 输入端之间的混频、放大和抗混叠滤波部分用MA F 表示(黑匣子) Z 并假设MA F 的噪声系数N _F3≤5 dB, 增益G₃为待优化参数; RF LNA 的增益G₁= 10 dB, 噪声系数N _F1= 118 dB; EWR 的插损D = 5 dB, 最大增益调节范围为63 dB, 增益调节步长G_S= 3 dB, 增益G₂= - (D + C (n)G_S) , 噪声系数N _F2= D + C (n)G_S,C (n) 为增益代码; AD6645 的分辨力为14 b it, 最高采样频率为105MHz, 满度输入功率为P _f= 418 dB,信噪比R _SNR = 7215 dB; 接收信号处理器RSP 和数字信号处理器DSP 分别采用了专用芯片AD6634和TM S320C6201。

假设天线和射频模拟前端处于完全匹配状态,则该D IFR 的本底噪声功率为

P_{N F}= - 174+ 10lg (B /MHz) = - 104, dB. ( 4 )

一般情况下, 当R ′_SNR≥10 dB 时, 即可满足大多数通信信号的解调需求, 则该D IFR 的接收灵敏度为

S = P_{N F}+ N F+ R ′_SNR - 10lg [ f _s/(2B ) ]≈ - 95, dB. ( 5 )

ADC 的量化噪声功率P_N 和最小可靠解调的输入信号功率P_ADC分别为

P_N = P _F - R _SNR; ( 6 )

P_ADC= P_N + R ′_SNR+ 5 (余量) = - 52.7, dB. ( 7 )

R_F 模拟前端的最大增益G_max、噪声系数N _F 以及MA F 的增益G₃ 分别为

G_max= P_ADC- S = 42.3, dB. ( 8 )

N _F= N _F1+ (N _F2- 1)/G₁+(N _F3- 1)/G₁G₂= 3.83, dB. ( 9 )

G₃= G_max - G₁- G₂= 37.30, dB. (10)

当输入信号的幅度A _I 增大到使输入ADC 的信号达到满度时, 进入RF A GC 增益调节阶段, 此时,RF 模拟前端的增益和噪声系数分别为

G= G_max- CG_S= 42.3- CG_S. (11)

N _F= N _F1+ (L + CG_S- 1)/G₁+ (N _F3- 1)/[G₁×(- L - CG_S) ].(12)

ADC 输入端信号的信噪比为

R _SNR= P _I- (P_{N F}+ N _F ) . (13)

根据式(8)～ (13) , 利用M at lab 软件对ADC的输入信号功率P _I 与RF 模拟前端增益G, 噪声系数N _F , 以及ADC 输入信号的R _SNR 之间的关系进行仿真, 其结果如图4 所示。

由图4 可见, 当输入信号功率P _I 从- 100 dB开始增大时,D IFR 模拟前端的增益和噪声系数保持不变, 而R _SNR 以dB 为单位线性增长; 当P _I 增大到P_max时, 进入RF A GC 调节阶段。在这一阶段, 随着输入信号功率P I 的增长,A GC 自动调节RFA F 的衰减量,ADC 输入端信号的R _SNR出现锯齿状调节过程。从图4 的仿真结果中不难理解, 尽管A GC 使D IFR 总的动态范围扩展了, 但D IFR 同时处理大信号和小信号的能力并没有提高, 即瞬时动态范围由于受到RFA F 的增益和ADC 的R _SNR 限制, 基本保持不变。

　结束语

大动态宽带D IFR 是一种典型的软件无线电接收机, 具有很好的抗干扰和抗阻塞能力, 可实现多模式、多波段信号的互通互连, 因此受到军事和商业通信领域的高度重视。作者的研究主要集中在D IFR宽带工作条件下, 使其动态范围最大化。在优化设计过程中, 以最新的D IFR 关键器件为基础, 通过分析和仿真, 研究了RFA F 的各部分指标分配与整机性能指标的优化设计, 给出了D IFR 的增益、噪声系数和信噪比与RF A GC 增益代码之间的关系。对研制大动态宽带D IFR 具有很好的理论和实际参考价值。