VHF/UHF波段接收機動態范圍問題研究

引言
目前覆蓋甚高頻(VHF，頻率范圍30～300 MHz)和1 GHz以下的特高頻(UHF，頻率范圍300 MHz～3 GHz)波段的無線圖像接收設備，諸如數字機頂盒(STB)多采用數字中頻接收方式。與傳統超外差式接收設備相比，數字中頻接收設備(DIFR)是對中頻信號直接采樣，然后在數字部分實現下變頻、濾波、解擴、解調、信號識別和信息提取等功能，為了發揮DIFR強大的軟件無線電功能，并使其能在復雜電磁環境中或電子干擾環境中可靠通信，要求DIFR必須具有寬帶和大動態工作能力。
射頻模擬前端(RFAF)和對模擬中頻信號進行帶寬采樣的A／D轉換器是DIFR的關鍵部分，在很大程度上制約著DIFR的動態范圍指標。文中針對多射頻接收鏈路的數字機頂盒設備，以常規RFAF模型對其調諧器(Tuner)模塊仿真，分析出影響其瞬時動態范圍的因素之一是射頻自動增益控制(RF AGC)電路的增益步長，并通過對模型的分析及優化，再次仿真，分析出數字機頂盒設備中的中頻自動增益控制(IFAGC)電路能夠緩解由RF AGC電路引起的瞬時動態范圍波動變化。

2 動態范圍分析
2．1 廣義動態范圍定義
接收設備的動態范圍表示接收設備正常工作時所允許的輸入信號強度范圍。動態范圍(D)可定義為：

式中，PRF_max為最大輸入信號功率，PRF_min為最小可辨信號功率，單位為dBm。
在實際應用中，常把接收機靈敏度作為接收設備的最小可辨信號功率PRF_min，但是，接收機靈敏度并不是一個基本量。由于數字中頻解調端接收信號的調制方式不同，要求數字中頻信號有不同的最小信噪比以滿足正常解調，同時，常溫下由中頻信號帶寬決定的噪聲底限(簡稱噪底)、RFAF的噪聲系數NF以及A/D轉換器帶寬采樣的增益也對靈敏度有一定的影響，這些因素與接收機靈敏度之間的關系為：

式中，-174 dBm+10logB為接收設備的噪底，10log(f/2B)為A/D轉換器帶寬采樣增益；B為中頻信號帶寬，單位是：Hz；S為接收設備的靈敏度，單位是dBm；NF為噪聲系數；SNRADC_min為數字中頻解調端期望的最小信噪比；fs為中頻采樣速率；此時，最大可輸入信號PRF_max是指接收設備可接收的最大不阻塞信號，主要由RFAF的增益G和A／D轉換器的滿度輸入功率PF確定，其關系表示為：

2．2 瞬時動態范圍與擴展動態范圍
由于AGC技術在數字中頻接收機RFAF中的使用，RFAF的增益會隨著天線接收到的信號進行相應調整。當RFAF的增益G和噪聲系數NF確定時，輸入信號的動態范圍被稱為瞬時動態范圍P_TD。
根據式(2)和式(3)可知，當RFAF的增益G和噪聲系數NF改變時，系統最大可接收信號功率和靈敏度也會產生一定的變化，即隨著RFAF增益的變化，瞬時動態范圍進行“搬移”。因此，擴展動態范圍P_WD可被理解為瞬時動態范圍P_TD“搬移”后的整個動態范圍。

3 調諧器電路結構及仿真
調諧器作為數字機頂盒設備的射頻模擬前端，其基本結構相當于整合3個單射頻接收鏈路，并且由專用的PLL控制電路控制。調諧器的內部結構框圖如圖1所示。

與文獻[4]中提出的單射頻接收鏈路模型(如圖2)近似，調諧器內部的PLL控制電路含有RF AGC控制功能，根據中頻放大器輸出的信號生成RF AGC信號并反饋至輸入級放大器，控制輸入級信號的放大量。由此，基于常規RFAF模型對調諧器模塊仿真。