基于灵敏度优先和动态优先的数字接收机射频通道增益配置方法

中国电子科技集团公司第二十九研究所 徐利兵 李延飞 田发林

针对数字接收机中射频通道增益设置差异对不同应用场景下信号接收质量的影响，本文提出一种基于灵敏度优先和动态优先场景下的射频通道增益配置方法，利用射频通道增益与灵敏度之间关系以及射频通道和A/D转换器之间噪声功率谱密度的相对关系确定射频通道增益配置，进一步给出了该方法的实施步骤，并通过实物验证了方法的有效性和适应性。

随着高性能A/D转换器的快速发展以及数字混频、滤波等在芯片内高密度集成，数字接收机在通信、雷达、电子战等领域广泛应用。典型数字接收机结构图如图1所示，数字接收机主要由接收天线、接收天线与A/D转换器之间的射频通道和包含A/D转换器与信号处理的数字化采集处理部分组成。决定接收机接收信号质量的重要指标主要包括灵敏度和动态范围，它们由射频通道和数字化采集处理部分共同决定。随着A/D转换器有效位的提高，数字接收机灵敏度和动态范围主要受限于射频通道性能。在不同领域不同场景下，系统要求数字接收机的灵敏度和动态范围能根据具体场景最优适配。噪声系数、1dB压缩点动态范围和灵敏度如式(1)、式(2和式(3)所示，随着增益增加，噪声系数减小，灵敏度增加，1dB压缩点动态范围也减小。大动态范围与高灵敏度往往相互制约。因此，如何配置射频通道增益使之与数字化采集处理部分匹配以满足不同场景下对灵敏度、动态范围的需求是数字接收机设计的关键问题。

本文基于信噪比检测模型推导出通道增益与灵敏度的普适数学关系式，从灵敏度计算公式出发，结合工程实际，考虑灵敏度优先和动态优先两种典型应用场景，分别提出了射频通道增益的配置方法和相应的实现步骤。

图1 典型数字接收机结构图

其中，F表示接收机噪声系数，Fn表示接收机中各单元的噪声系数，表示接收机中各单元的增益值，DR1db表示接收机1dB压缩点动态范围（dB），Pout,1db表示接收机级联输出1dB压缩点（dBm），G表示接收机级联增益值（dB），SEN表示接收机的灵敏度（dBm），N1表示室温下热噪声功率谱密度，常取值-114dBm/MHz，Bv表示接收机视频检测带宽（dB·MHz），NF表示接收机的噪声系数（NF=10log10F，dB），D表示接收机检测门限（dB）。

1 射频通道增益与接收机灵敏度间关系推导

根据式(3)可知，从接收机输入口面，灵敏度SEN等于噪

底功率（N1+Bv+NF）加检测门限（D）。从接收机检测点输出口面，灵敏度SEN可重写为：

其中Na表示射频通道输出噪声功率谱密度（dBm/MHz），NFRF表示接收机中A/D转换器前射频通道级联噪声系数，Nb为接收机中A/D转换器带来的噪声功率谱密度（dBm/MHz），No表示接收机在检测前射频通道与A/D转换器级联噪声功率谱密度（dBm/MHz）。

在式(7)中，当时，等价为在射频通道噪声系数和A/D采集板的噪声功率谱密度保持不变的条件下，需要配置射频通道较高通道增益以满足，此时，式(3)所示的接收机灵敏度与式(7)中对应的最优接收机灵敏度接近。当，等价为在A/D采集板的噪声功率谱密度一定条件下，配置射频通道较低通道增益以满足，此时，式(7)中接收机灵敏度随着射频通道增益下降而下降，式(2)中的动态DR1db随射频通道增益下降而上升。因此，通过设置射频通道增益使射频通道输出噪声功率谱密度和A/D转换器噪声功率谱密度满足两类相对关系可适应不同应用场景下对数字接收机灵敏度、动态范围的需求。

为指导工程应用，令射频通道输出噪声功率谱密度与A/D采集板的噪声功率谱密度间落差系数Grad(dB)=Na－Nb，联立式(3)和式(7)，可得接收机噪声系数与射频通道噪声系数、落差系数之间的关系表达式为：

图2显示接收机噪声系数和间关系。

图2 接收机噪声系数恶化程度和落差系数之间的关系

2 不同场景下射频通道增益配置方法

为指导工程应用，基于式(7)本文提炼出了两类射频通道增益配置方法，并给出典型实施步骤。

2.1 基于灵敏度优先的射频通道增益配置

基于灵敏度优先的射频通道增益配置方法要求射频通道增益满足，选择合适的落差系数Grad，并以此配置射频通道增益可以获得灵敏度恶化程度可接受的数字接收机。

具体步骤为：（1）确定A/D采集板的噪声功率谱密度Nb。A/D采集板输入端接负载，采集原始数据，计算噪声功率谱密度Nb；（2）确定采集板中AD前巴伦等无源器件插损值L；（3）选择可接受噪声功率谱密度落差系数Grad值；（4）测量射频通道噪声系数NFRF；（5）带入式(9)计算获得射频通道增益配置值，记为GS。

2.2 基于动态优先的射频通道增益配置

基于动态优先的射频通道增益配置方法要求射频通道增益满足，且在灵敏度满足要求前提下，配置射频通道增益满足接收机高动态范围要求。与2.1节不同，本策略不仅所选落差系数Grad满足要求，且需要额外考虑射频通道增益波动对灵敏度的影响。

具体步骤为：（1）确定A/D采集板的噪声功率谱密度Nb，方法同2.1节；（2）确定接收机视频检测带宽Bv；（3）确定接收机检测门限D；（4）确定接收机灵敏度SEN；（5）确定射频通道波动下限值与波动均值间差异，记为Gf；（6）确定采集板中AD前巴伦等无源器件插损值L；（7）带入式(10)计算获得射频通道增益配置值，记为Gs；（8）复验是否满足。

3 试验结果分析

本节基于图1构建数字接收机，通过变频后中频衰减实现灵敏度优先模式下级联增益调整，通过变频前射频衰减实现动态优先模式下级联增益调整。接收机采用Analog Devices公司AD9625制作A/D采集板，采集板噪声功率谱为-79dBm/MHz，接收机检测门限取值14dB，接收机视频检测带宽取值1MHz，AD前巴伦等无源器件插损取值3dB，灵敏度优先模式下变频前注入频率为9.6GHz，对应中频频率1.7GHz，动态优先模式下变频前注入频率为9.2GHz、9.6GHz、9.9GHz，对应中频分别为1.4GHz、1.7GHz、2.2GHz，不同模式下灵敏度理论值与实测值对比情况，以及不同模式间动态对比情况如表1所示。

表1 不同射频通道增益配置方法下理论值与实测值对比表

考虑到A/D采集误差以及射频通道与A/D间宽带阻抗失配影响，从上表可看出，在不同噪声功率谱密度落差和增益波动下，两种配置方法所对应的接收机灵敏度理论计算值与实测值基本吻合，且对应策略下的灵敏度和动态范围值有明显改善。

总结：本文从数字接收机检测模型出发，推导了射频通道增益与灵敏度间具有普适意义的数学关系式，提出了适应高灵敏度需求和高动态需求的两种射频通道增益配置方法以及实施步骤，并通过接收机系统实物构建以及关键参数调整测试，验证了该方法的理论与实际吻合度以及方法的有效性。