单比特接收机的结构及其性能分析

摘　要:单比特接收机是一种结构非常简单的数字接收机,他的整个设计可以在一个芯片中完成。本文主要研究了单比特接收机的结构,并对其性能进行了分析。该接收机能够覆盖约1GHz的带宽,并且可以同时处理两个信号。他不仅具有良好的频率分辨率和灵敏度,而且单信号动态范围和双信号无杂散动态范围也比传统的数字接收机大。

关键词:单比特接收机;射频前端;FFT;IFM

1　引　言

单比特接收机(Monobit Receiver)的概念源于商用GPS接收机的设计。在商用GPS接收机中使用的模/数转换器ADC一般只有1～2b,而相对于GPS信号来说,一般的脉冲射频信号要简单得多,因此,采用位数较少的ADC的思想在宽带接收机设计中得到采纳,从而出现了单比特接收机这一名词。

单比特数字接收机的主要优点是结构简单,可以在一个芯片上实现整个设计。他最多能同时处理两个输入信号,具有良好的频率分辨率(即能分辨出频率相近的两个信号)和灵敏度,而且单信号动态范围和双信号无杂散动态范围都非常大。但这种接收机的缺点是瞬时动态范围非常低,不能同时接收一个强信号和一个弱信号。单比特接收机具有很大的应用潜力,在不远的将来一定会取代现有的只能处理一个信号的瞬时测频(Instantaneous Frequency Measurement,IFM)接收机。

2　单比特接收机的结构

单比特接收机主要由射频(RF)前端、模ˆ数转换器ADC,FFT和选频逻辑(Frequency selection logic)4个部分组成,其结构如图1所示。

图1　单比特接收机结构

2.1　射频前端
单比特接收机的射频前端结构与传统的IFM接收机的相似,其组成如图2所示。由于单比特接收机的瞬时动态范围很小,故射频前端的设计比较简单,可以使用限幅放大器代替线性放大器。限幅放大器的特性与工作在饱和状态的放大器的特性相似,两者之间的差别在于限幅放大器的输出是恒定的,而工作在饱和状态的放大器的输出会发生变化。为了抑制带外干扰,输入信号需要先通过一个带宽为1GHz的带通滤波器(范围1.375～2.375GHz),然后再通过一个增益为60dB的限幅放大器被放大到恒定值。在限幅放大器的输出端,用和输入端相同的带通滤波器来滤除放大器产生的噪声,从而避免0～2.5GHz的噪声出现在ADC的输入端。

图2　射频前端的组成

由于限幅放大器的输出恒定,所以采用一个2b的ADC就可以满足要求。实验证明:一个2b的ADC要比1b的ADC性能优越,但是超过3b时,比特数的增加几乎不能带来接收机性能的改变,这主要是因为限幅放大器的作用和特殊的FFT设计。为了覆盖1GHz的带宽,Nyquist采样频率需达2GHz。同时,考虑到输入滤波器的幅频特性,需要按输入带宽的2.5倍设计,因此,ADC的采样速率为2.5GHz。两个最低的非模糊(unambiguous)频率范围是0～1.25GHz和1.25～2.5GHz。在第二个非模糊频率范围中,选择1.375～2.375GHz这部分范围(即1GHz的带宽)为输入带宽。此外还要求ADC的输入幅频响应必须足够高,以便容纳接收机的输入带宽。

2.3　FFT
FFT是单比特接收机的核心部分,其目的是为了在离散傅里叶变换DFT芯片的设计中避免乘法运算,只保留加法运算。离散傅里叶变换DFT可以表示为:

从上式中可以看到,离散傅里叶变换DFT由输入数据x(n)和核心(kernel)函数的乘积相加获得。只要这两个函数任意一个是1b(即为单比特)。例如输入x(n)为±1,则输入数据与Kernel函数之间就只有加法运算。避免FFT进行乘法运算的另一个途径是把Kernel函数的比特数减到1。在硬件中实现单比特Kernel函数要比实现单比特输入简单得多。由于Kernel函数是一个复函数,他不能用1b的实数来表示,所以,表示Kernel函数的最简单方法是用1b表示实部,1b表示虚部。如果用图形来表示,则Kernel函数的取值分布在复平面的单位圆上,可以有±l,±j四种取值,如图3所示。

图3　实部和虚部都量化成1时的Kernel函数

该FFT运算包含256点,采样频率在2.5GHz,则输入数据时间长度等于102.4ns(256×0.4),能够检测的最窄脉冲宽度约为100ns。单信号频率分辨率约为9.77MHz(1250/128)。为了更好地简化设计,加法器最多有7b输出(6b为幅度数据位、1b为符号位),超出部分将被截去。

2.4　选频逻辑
在具有多信号处理能力的电子站接收机中,选频逻辑是最困难的设计之一。他用来选择正确的输入频率,并避免产生乱真信号响应。由于输入信号的个数不确定,特别是在高的瞬时动态范围的要求下,要获得正确的结果很难。在单比特接收机中,最多只能同时处理两个输入信号。采用这种设计方案后,接收机的输出只有3种可能,即无信号、一个信号或两个信号。此外,由于RF前端的特殊设计和位数较少的ADC(2b),使得接收机要求的瞬时动态范围也非常低。这样,选频逻辑的设计被大大简化,只需要检测频率域中的两个最高峰值,以便确认他们是否超过固定门限。选频逻辑的功能框图如图4所示。

图4　选频逻辑的功能框图

3　单比特接收机的性能评价

由于单比特接收机的前端和2bADC都是高度非线性的,很难从理论上进行分析,所以,在进行设计时需要把从数据采集系统采集到的数据输入到计算机进行处理,以便得到对接收机性能的评价。为了检测输入信号的数目,在设计芯片时必须加入门限参数,门限参数的取值需要根据计算机模拟的结果来确定。由于计算机还不能读取单比特接收机输出的所有信息,只有有限的一部分输入状况可以用来做估计,因此,测试到的结果只能被看作是基本的性能数据。

为了测试单比特接收机的性能,需要将8b的ADC数据经过软件转换成2b后作为输入数据。两个输入信号的频率是随机选择的,并且两个信号的幅度差保持恒定,对于每一种幅度差,需对随机选择的频率收集1000组数据,实验数据如表1所示。

表1　两个模拟信号的指标

当接收机输入端同时存在两个信号时,与IFM接收机一样,单比特接收机不会报告错误的频率,而是正确报告一个或两个信号的频率。由表1的数据可以看出:当两个信号的幅度相同时,单比特接收机并不能始终都检测到两个信号,约有76%的时间只能检测到一个信号;当两个信号的幅度差大于5dB时,接收机只处理强度大的信号,由此得出单比特接收机的双信号处理能力较弱且瞬时动态范围有限。

4　单比特接收机的性能分析

单比特接收机的输入频率范围为1.375～2.375GHz,FFT采用256点,时间分辨率固定为102.4ns,每个信道带宽约为9.77MHz(1/102.4),其频率分辨率约为10MHz。他具有较好的灵敏度(约为-70dBm),可以处理的单信号最大电平为10dBm,即单信号动态范围可以达到80dB。单比特接收机的双信号无杂散动态范围也比传统的接收机高得多,原因是他只能处理两个同时存在的信号,不能检测到决定了无杂散动态范围下限的第三个信号。此外,由于限幅放大器的非线性会造成捕获效应(即强信号抑制弱信号),这大大限制了瞬时动态范围,所以,单比特接收机的瞬时动态范围一般不超过5dB。设ADC为8b,采样频率为3GHz,传统数字接收机和单比特接收机性能比较如表2所示。

表2　传统数字接收机和单比特接收机性能的比较

5　结　语

单比特接收机技术可以看做是一种数字化信道的途径,他通过降低FFT运算的复杂性来简化设计,能够将ADC,FFT和选频逻辑集成到一个芯片上。采用这项技术,可以在给定的接收功能的前提下,使接收机硬件最简,而接收机的性能仅有少许的降低。

此外,接收机进行实时操作的能力也得到提高。但该接收机存在两个不足之处,即瞬时动态范围有限和双信号处理能力较弱。在实际应用中,接收机需要有更高的瞬时动态范围和处理多信号(多于2个)的能力。