VHF/UHF波段接收机动态范围问题研究

引言

目前覆盖甚高频(VHF，频率范围30～300 MHz)和1 GHz以下的特高频(UHF，频率范围300 MHz～3 GHz)波段的无线图像接收设备，诸如数字机顶盒(STB)多采用数字中频接收方式。与传统超外差式接收设备相比，数字中频接收设备(DIFR)是对中频信号直接采样，然后在数字部分实现下变频、滤波、解扩、解调、信号识别和信息提取等功能，为了发挥DIFR强大的软件无线电功能，并使其能在复杂电磁环境中或电子干扰环境中可靠通信，要求DIFR必须具有宽带和大动态工作能力。

射频模拟前端(RFAF)和对模拟中频信号进行带宽采样的A／D转换器是DIFR的关键部分，在很大程度上制约着DIFR的动态范围指标。文中针对多射频接收链路的数字机顶盒设备，以常规RFAF模型对其调谐器(Tuner)模块仿真，分析出影响其瞬时动态范围的因素之一是射频自动增益控制(RF AGC)电路的增益步长，并通过对模型的分析及优化，再次仿真，分析出数字机顶盒设备中的中频自动增益控制(IFAGC)电路能够缓解由RF AGC电路引起的瞬时动态范围波动变化。

2 动态范围分析

2．1 广义动态范围定义

接收设备的动态范围表示接收设备正常工作时所允许的输入信号强度范围。动态范围(D)可定义为：

式中，PRF_max为最大输入信号功率，PRF_min为最小可辨信号功率，单位为dBm。

在实际应用中，常把接收机灵敏度作为接收设备的最小可辨信号功率PRF_min，但是，接收机灵敏度并不是一个基本量。由于数字中频解调端接收信号的调制方式不同，要求数字中频信号有不同的最小信噪比以满足正常解调，同时，常温下由中频信号带宽决定的噪声底限(简称噪底)、RFAF的噪声系数NF以及A/D转换器带宽采样的增益也对灵敏度有一定的影响，这些因素与接收机灵敏度之间的关系为：

式中，-174 dBm+10logB为接收设备的噪底，10log(f/2B)为A/D转换器带宽采样增益；B为中频信号带宽，单位是：Hz；S为接收设备的灵敏度，单位是dBm；NF为噪声系数；
SNRADC_min为数字中频解调端期望的最小信噪比；fs为中频采样速率；此时，最大可输入信号PRF_max是指接收设备可接收的最大不阻塞信号，主要由RFAF的增益G和A／D转换器的满度输入功率PF确定，其关系表示为：

2．2 瞬时动态范围与扩展动态范围

由于AGC技术在数字中频接收机RFAF中的使用，RFAF的增益会随着天线接收到的信号进行相应调整。当RFAF的增益G和噪声系数NF确定时，输入信号的动态范围被称为瞬时动态范围P_TD。

根据式(2)和式(3)可知，当RFAF的增益G和噪声系数NF改变时，系统最大可接收信号功率和灵敏度也会产生一定的变化，即随着RFAF增益的变化，瞬时动态范围进行"搬移"。因此，扩展动态范围P_WD可被理解为瞬时动态范围P_TD"搬移"后的整个动态范围。

3 调谐器电路结构及仿真

调谐器作为数字机顶盒设备的射频模拟前端，其基本结构相当于整合3个单射频接收链路，并且由专用的PLL控制电路控制。调谐器的内部结构框图如图1所示。

与文献[4]中提出的单射频接收链路模型(如图2)近似，调谐器内部的PLL控制电路含有RF AGC控制功能，根据中频放大器输出的信号生成RF AGC信号并反馈至输入级放大器，控制输入级信号的放大量。由此，基于常规RFAF模型对调谐器模块仿真。

设其工作带宽B=8 MHz,最小期望解调信噪比SNRmin=10 dB，要求的输入信号范围-110～-10 dBm，选用ADI公司的AD9203作为中频采样器件，其分辨率为10 bit，最高采样频率为fs=40 MHz，满度输入功率为PF=4 dBm，信噪比SNRADC=60 dB，分别对3路不同频段的射频接收链路仿真。根据式(2)可知，系统的噪底约-105 dBm，则输入A／D转换器的最小可靠解调信号的功率为：

作者：何苏勤，翟纯青 北京化工大学   来源：国外电子元器件