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：
   

    由图3a可见，当系统的灵敏度确定后，系统的瞬时动态范围分非增益控制阶段和增益控制阶段。当天线接收到的输入信号功率较小时，RFAF增益不变，RFAF处于非增益控制阶段，此时数字接收机的瞬时动态范围基本不变。由图3b可见，当天线接收到的输入信号功率过大，RFAF电路进行增益控制时，随着各个射频链路的RF AGC增益步长的不同，系统瞬时动态范围所受影响也不同。虽然可以通过减小RF AGC的步长，使数字机顶盒的瞬时动态范围处于一个比较稳定的状态，但会造成其工作不稳定。
    通过对上述结果的分析，发现造成此问题的原因是模型中并没有IF AGC电路的参数，只是验证了RF AGC电路的增益控制对数字接收机动态范围指标的影响。由于RF AGC与IF AGC所要实现的目的不同，RF AGC为了满足更大的输入动态范围，应满足小信号放大和大信号衰减的特性，因此需要有较宽的增益控制范围；而从减少中频采样时的噪声考虑，为了使中频输出信号的幅度变化足够小(理想的输出信号幅度变化应为零)，IF AGC电路须具有良好的线性控制特性嘲。

4 仿真优化及分析
4．1 仿真模型建立
    为了同时满足数字机顶盒稳定工作和良好的瞬时动态范围波动变化要求，优化仿真模型，采用较大增益步长的RFAGC电路，对天线接收到的信号进行第一次范围压缩，并使数字机顶盒稳定工作；通过中频输出端的IF AGC电路进行第二次范围压缩，缓解由RF AGC步长过大而导致数字机顶盒设备瞬时动态范围波动的问题。基于此想法，并参照调谐器的内部结构(图1)设计新仿真模型，如图4所示。

    根据低噪声放大器(LNA)和各波段RF AGC电路的增益调节，计算出MAF输入端接收到的信号范围由-110～－10dBm分别压缩至-64～-24 dBm、-70～-33 dBm和-68．5～-23．5dBm，其总的信号动态范围是-70～-23 dBm，压缩了63 dB，增益控制范围不变。同时由于最大增益和最小增益都减小了20 dB，相当于为IF AGC电路提供了40 dB的增益调节范围，且IF AGC的最小增益为20 dB。
    为增加新仿真模型的可靠性，进一步调整MAF的增益：由上述仿真得出的平均结果G3=-8 dB调整为G3=1O dB，相当于对其输出信号的功率增加约20 dB，即-50～3 dBm。与调整后的RF AGC参数相加，结果相当于IF AGC电路的最小增益下降为0 dB,而其40 dB的有效增益调节范围不变。由于RF AGC电路的增益调节，使得输入IF AGC电路的信号范围相对较小，因此IF AGC电路的增益步长可以较短，此处设IF AGC电路的增益调节步长GSIF=3 dB。同时，由于IFAGC电路处于RFAF的后端，其噪声系数对RFAF的噪声系数影响也较小，可设IF AGC电路的最小噪声系数NFIF=4dB。
4．2 仿真结果分析
    通过对上述修正后的模型仿真，得到如图5所示的结果。

    与图3a比较发现，由于调整了RFAF增益的分配，图5a中非增益控制阶段有所减小，即系统的增益起控点降低，但对系统的影响不大；通过图5b可以发现，在增益控制阶段，经过IF AGC器件的二次增益调节后，数字机顶盒的瞬时动态范围变化曲线有了明显的修正。

5 结论
    在多射频接收链路仿真模型中增加IF AGC器件，同时调整RF AGC器件的增益参数，可以保证在不影响调谐器模块总增益的情况下，实现二次增益调节。通过上述优化，RFAF既可以维持较为稳定的工作状态，又可以减小由RF AGC电路引起的瞬时动态范围的波动变化，使得仿真结果中的瞬时动态范围变化曲线近似于线性。该研究结果有助于解决RFAF瞬时动态范围波动问题，对实现多射频链路数字中频接收机大动态范围稳定接收提供了一个有效的解决方案。