胡正群,張 杰,施滸立,裴 軍,杜曉輝

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái),北京 100012）

擴(kuò)頻接收基帶動(dòng)態(tài)范圍分析與探討

胡正群,張 杰,施滸立,裴 軍,杜曉輝

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái),北京 100012）

接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍已成為衡量接收基帶性能的重要指標(biāo)。對(duì)擴(kuò)頻衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中的擴(kuò)頻通信接收基帶動(dòng)態(tài)范圍從物理角度用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行了分析,闡述了擴(kuò)頻接收基帶前端的射頻系統(tǒng)對(duì)接收基帶正常工作的影響,對(duì)擴(kuò)頻接收基帶信號(hào)捕獲門(mén)限進(jìn)行了探討分析,重點(diǎn)利用AD8310芯片設(shè)計(jì)了擴(kuò)頻接收基帶自動(dòng)增益控制（AGC）接口參考電平,可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻接收基帶射頻（RF）信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)檢測(cè)和控制。

衛(wèi)星導(dǎo)航;擴(kuò)頻通信;基帶;動(dòng)態(tài)范圍;三階交調(diào);虛警概率

1 引 言

無(wú)線衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中,當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)進(jìn)入RF系統(tǒng)時(shí),迭加信號(hào)會(huì)出現(xiàn)較高電平,從而使某些RF器件進(jìn)入非線性工作區(qū),高電平信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生互調(diào)信號(hào),造成后端接收基帶虛假接收。同時(shí),互調(diào)信號(hào)產(chǎn)生還會(huì)使噪聲電平提高,惡化信道信噪比,產(chǎn)生更大的誤碼率,降低了接收基帶對(duì)弱信號(hào)的搜索、捕獲、跟蹤、解調(diào)解擴(kuò)的能力,即靈敏度會(huì)下降,形成信號(hào)漏捕或誤捕。接收基帶正常工作時(shí),信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍制約著接收基帶的主要性能。本文對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中,擴(kuò)頻接收基帶前端的射頻系統(tǒng)對(duì)接收基帶動(dòng)態(tài)范圍的影響進(jìn)行了分析,基于概率論中虛警概率探討了接收基帶捕獲門(mén)限;最后,著重利用AD8310芯片和AGC系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)大動(dòng)態(tài)范圍的接收。

2 擴(kuò)頻接收基帶動(dòng)態(tài)范圍分析

本文分析的動(dòng)態(tài)范圍指接收基帶能捕獲上信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍,廣義上來(lái)說(shuō),是一種線性動(dòng)態(tài)范圍,通過(guò)對(duì)接收基帶前端的信噪比以及單載波電平值來(lái)分析判斷接收基帶的工作動(dòng)態(tài)范圍。RF接收端輸入單頻載波信號(hào),并不斷增加幅度,至其輸出幅度比線性放大時(shí)減小1 dB,即1 dB壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入功率P1dB與最小可檢測(cè)靈敏度Prmin之間的范圍,常用dB數(shù)表示,如式（1）所示[1]:

由式（4）可以看到,輸出信號(hào)產(chǎn)生了新頻率分量信號(hào),各次諧波和大多數(shù)交調(diào)產(chǎn)物都可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波器濾除,通常三階交調(diào)分量（2ω1-ω2,2ω2-ω1）對(duì)原始信號(hào)影響比較大,從幅度上來(lái)看,它和基頻的量級(jí)一樣,與輸入信號(hào)幅度的三次方成正比,在某一輸人信號(hào)的功率下,三階交調(diào)分量的功率會(huì)與線性輸出的功率相同。三階交調(diào)分量的功率和線性輸出的功率相同時(shí)的這一個(gè)功率點(diǎn)被稱(chēng)為三階交調(diào)點(diǎn)（IP3）,分為輸入三階交調(diào)點(diǎn)（IIP3）和輸出三階交調(diào)點(diǎn)（OIP3）,如圖1所示。另外,三階交調(diào)分量頻率比較靠近基頻信號(hào),它本身是非線性產(chǎn)生的干擾噪聲,實(shí)際上折合成系統(tǒng)噪底,它會(huì)使系統(tǒng)性能惡化,可能真正成為虛假信號(hào),致使擴(kuò)頻接收基帶產(chǎn)生誤獲。

因此,三階交調(diào)截取點(diǎn)IP3是一個(gè)衡量線性度或失真的重要指標(biāo)。交調(diào)失真現(xiàn)象對(duì)模擬微波通信來(lái)說(shuō),會(huì)產(chǎn)生鄰近信道的串?dāng)_;對(duì)于數(shù)字微波通信來(lái)說(shuō),它會(huì)降低系統(tǒng)的頻譜利用率,使誤碼率提高,系統(tǒng)容量越大,對(duì)IP3要求越高。

圖1 輸入輸出功率關(guān)系Fig.1 Relationship between input and output power

圖1中最小可檢測(cè)靈敏度Prmin（dBm）由式（5）給出[1],如果只考慮三階交調(diào)分量（2ω1-ω2,2ω2-ω1）其中之一的情況,三階交調(diào)點(diǎn)與1 dB壓縮點(diǎn)的關(guān)系由式（6）和式（7）給出:

式中,K=1.38×10-23J/K,T0=293 K,B是有效噪聲帶寬（Hz）,FN為噪聲系數(shù),S/N為信噪比。因此,降低噪聲帶寬、噪聲系數(shù)以及信噪比,都可以降低最小可檢測(cè)靈敏度Prmin,由式（1）可知,這種情況可以提高線性動(dòng)態(tài)范圍（LDR）,本文擴(kuò)頻接收基帶的帶寬為6MHz,RF系統(tǒng)噪聲系數(shù)為3.5 dB。

式（6）和式（7）表明,三階交調(diào)點(diǎn)與1 dB壓縮點(diǎn)之間存在一個(gè)線性關(guān)系。由式（1）可知,提高1 dB壓縮點(diǎn)或者提高三階交調(diào)點(diǎn)也可以提高線性動(dòng)態(tài)范圍,這種情況在實(shí)踐中應(yīng)用比較多,因?yàn)樗耆Q于元器件的使用,實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易,而且不會(huì)影響到系統(tǒng)的其它參數(shù)。

實(shí)際應(yīng)用中,復(fù)雜的電磁環(huán)境使得多個(gè)信號(hào)進(jìn)入RF接收端,從而在中頻產(chǎn)生交調(diào)產(chǎn)物,影響到擴(kuò)頻接收基帶的正常工作。無(wú)虛假響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）與三階交調(diào)點(diǎn)以及最小可檢測(cè)靈敏度Prmin的關(guān)系如式（8）所示[1]:

因此,提高三階交調(diào)點(diǎn)對(duì)于擴(kuò)大擴(kuò)頻接收基帶動(dòng)態(tài)范圍有重要的作用。

3 擴(kuò)頻接收基帶門(mén)限分析

擴(kuò)頻接收基帶處理一般采用非相干延遲鎖相環(huán)對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行捕獲和跟蹤,擴(kuò)頻碼的同步捕獲一般都需要將其相關(guān)峰值與一個(gè)門(mén)限值進(jìn)行比較,從而判定擴(kuò)頻碼是否同步[2]。擴(kuò)頻接收基帶通過(guò)對(duì)帶寬內(nèi)能量作相關(guān)積分與門(mén)限值進(jìn)行比較,當(dāng)積分能量高于門(mén)限的時(shí)候,接收基帶對(duì)信號(hào)捕獲,進(jìn)入位同步狀態(tài),位同步上以后,接收基帶進(jìn)入信號(hào)跟蹤狀態(tài),包括碼跟蹤和載波跟蹤。在此工作流程中,接收基帶的檢測(cè)門(mén)限是整個(gè)接收基帶正常工作的第一步,在衛(wèi)星擴(kuò)頻通信中,有效信號(hào)淹沒(méi)在噪聲底下,到達(dá)接收天線的電平大約在-130 dBm左右,屬于弱信號(hào)范疇,過(guò)高的門(mén)限值使得接收基帶對(duì)微弱信號(hào)無(wú)法捕獲;過(guò)低的門(mén)限值使得接收基帶誤把噪聲當(dāng)成有用信號(hào),接收基帶對(duì)信號(hào)形成誤捕,即產(chǎn)生虛警。擴(kuò)頻信號(hào)捕獲檢測(cè)原理圖如圖2所示。

圖2 擴(kuò)頻信號(hào)捕獲檢測(cè)原理圖Fig.2 Schematic diagram of spread-spectrum signal acquisition and detection

假定噪聲的概率密度函數(shù)P（x）為高斯分布,基帶信號(hào)I/Q兩支路的噪聲是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的,σn為中頻采樣噪聲方差,則信號(hào)包絡(luò)的概率密度函數(shù)為

通常,接收基帶的解擴(kuò)采用一個(gè)符號(hào)周期作為積分積累時(shí)間,對(duì)噪聲值進(jìn)行積分累加,求得N個(gè)樣本數(shù)的門(mén)限值之和作為最終的判斷門(mén)限。以上分析都是基于在一個(gè)碼片的時(shí)間內(nèi)發(fā)生相位錯(cuò)誤,信噪比一定的條件下進(jìn)行的。因此,從門(mén)限值可以得出在輸入信號(hào)載噪比一定的條件下所輸入的最小信號(hào)功率,對(duì)于擴(kuò)頻信號(hào)數(shù)字處理而言它可以作為擴(kuò)頻信號(hào)捕獲的門(mén)限值,當(dāng)?shù)陀陂T(mén)限值時(shí),擴(kuò)頻信號(hào)將無(wú)法完成捕獲和跟蹤[4]。

4 擴(kuò)大擴(kuò)頻接收基帶接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,多普勒頻移現(xiàn)象的普遍存在、高密度電磁環(huán)境等因素的影響,進(jìn)入接收基帶的信號(hào)頻譜很多,最終都表現(xiàn)為雜波和干擾信號(hào),大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)接收基帶而言顯得相當(dāng)重要。大動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)的變化會(huì)引起相關(guān)解調(diào)器輸出信號(hào)電平的變化,從而降低擴(kuò)頻碼同步捕獲的概率和同步跟蹤精度,AGC系統(tǒng)改變了接收基帶的傳輸函數(shù),使得接收基帶的輸出信號(hào)總功率保持不變或者變化不大,能夠有效防止接收基帶飽和或過(guò)載,可以保證接收基帶具有足夠的輸入動(dòng)態(tài)范圍,提高了接收基帶性能。

AD8310是ADI公司生產(chǎn)的一款高速電壓輸出型對(duì)數(shù)放大器,通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)幅度進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮可以擴(kuò)展接收基帶的動(dòng)態(tài)范圍。AD8310也是一款高頻、寬帶、寬動(dòng)態(tài)檢波器,具有小體積、低功耗、高精度,高穩(wěn)定性、寬動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)[5],可以對(duì)頻率從直流到440MHz的寬帶信號(hào),幅度從44 μ V到2.2 V的輸入信號(hào)檢波處理,以24 mV/dB的比率輸出直流電平,非常有利于作為AGC電路的反饋控制電壓。此外,AD8310響應(yīng)時(shí)間快,在15 ns內(nèi)對(duì)接地負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)25 mA,能瞬時(shí)處理信號(hào),可以通過(guò)輸出直流電壓值的變化清晰地指示接收基帶信號(hào)的強(qiáng)度。

通過(guò)以上分析可以得到,接收基帶的捕獲門(mén)限與接收基帶相關(guān)積分器輸出包絡(luò)信號(hào)有直接的關(guān)系,因此,可以將I/Q支路信號(hào)包絡(luò)通過(guò)AD8310芯片轉(zhuǎn)換成直流電壓作為擴(kuò)頻接收基帶AGC系統(tǒng)的參考值。擴(kuò)頻接收基帶AGC系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 擴(kuò)頻接收基帶AGC系統(tǒng)框圖Fig.3 AGC system block diagram of spread spectrum receiver baseband

為了使射頻系統(tǒng)輸出信號(hào)的功率基本保持恒定狀態(tài),需要提供兩個(gè)AGC檢測(cè)器來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理:接收基帶擴(kuò)頻碼未獲得捕獲前由AGC檢測(cè)器1來(lái)提供AGC信號(hào),擴(kuò)頻碼獲得捕獲后由AGC檢測(cè)器2來(lái)提供AGC信號(hào)。在試驗(yàn)調(diào)試的鏈路中,接收基帶門(mén)限設(shè)計(jì)是以基帶信號(hào)處理后可以捕獲跟蹤信號(hào)作為依據(jù),AD8310本身具有100 dB左右的瞬時(shí)輸入處理動(dòng)態(tài)范圍,因此,可以保證在大的輸入射頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)快速完成基帶信號(hào)處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

從以上分析可以得到,接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍與接收基帶前端RF系統(tǒng)的三階交調(diào)點(diǎn)存在正比例的關(guān)系,提高三階交調(diào)點(diǎn)能夠提高信號(hào)線性動(dòng)態(tài)范圍。在衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中,接收基帶的捕獲門(mén)限要根據(jù)鏈路余量的要求設(shè)計(jì),不可過(guò)高或過(guò)低,否則不能捕獲信號(hào)或者形成誤捕。高線性、大動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)頻接收基帶是衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)接收終端的發(fā)展方向,本文重點(diǎn)利用AD8310芯片設(shè)計(jì)電路將有效帶寬內(nèi)噪聲（包含擴(kuò)頻信號(hào)）能量轉(zhuǎn)換成直流電壓設(shè)計(jì)為接收基帶AGC參考電平,使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)較大動(dòng)態(tài)范圍的控制,在衛(wèi)星導(dǎo)航通信接收系統(tǒng)中有一定的參考意義。

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Sp read Spectrum Receiver′s Dynamic Range:Analysis and Discussion

HU Zheng-qun,ZHANG Jie,SHI Hu-li,PEI Jun,DU Xiao-hui
（National Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012,China）

The dynamic range of

signal has become the important measurement index of receiver baseband performance.In the satellite navigation and communications system,the dynamic range of spread spectrum receiver baseband is analysed with mathematical methods from physical point of view.The effect of the spread spectrum receiver baseband′s front-end RF system on the normal operation of receiver is explained,the spread spectrum receiver baseband′s signal acquisition threshold is discussed.Especially,AD8310 is used as the interface reference electric level of AGC（automatic gain control）to realize RF receiving signal control in large dynamic range.

satellite navigation;spread spectrum communication;baseband;dynamic range;third-order intermodu lation;probability of false alarm

The National Basic Research Program ofChina（973 Program）（No.2007CB815500）;The National Natural Science Foundation of China（No.61001109）

TN927

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.021

1001-893X（2010）11-0100-04

2010-08-13;

2010-11-08

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目（2007CB815500）;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61001109）

胡正群（1981-）,男,廣西桂林人,碩士,研究實(shí)習(xí)員,主要研究方向?yàn)閿U(kuò)頻通信、衛(wèi)星通信;

HU Zheng-qun was born in Guilin,Guangxi Zhuang Autonomous Region,in 1981.He is now an intern researcher with the M.S.degree.His research interests include spreading spectrum communication and satellite communication.

Email:huzq@nao.cas.cn

張 杰（1983-）,男,安徽蚌埠人,碩士,研究實(shí)習(xí)員,主要研究方向?yàn)閿U(kuò)頻通信、信道編碼;

ZHANG Jie wasborn in Bengbu,Anhui Province,in1983.He is now an intern researcher with the M.S.degree.His research interests include spreading spectrum communication and channel coding.

施滸立（1944-）,男,浙江余姚人,研究員、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航通信一體化;

SHI Hu-li was born in Yuyao,Zhejiang Province,in 1944.He is now a senior engineer of professor and also the Ph.D.supervisor.His research direction is the integration of navigation and communication of satellite.

裴 軍（1963-）,男,北京人,研究員、碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航通信一體化;

PEI Junwas born in Beijing,in1963.He is now a senior engineer of professor.His research direction is the integration of navigation and communication of satellite.

杜曉輝（1982-）,女,山東濟(jì)寧人,博士研究生,主要研究方向?yàn)閿U(kuò)頻通信、衛(wèi)星通信。

DU Xiao-hui was born in Jining,Shandong Province,in 1982.She is currently working toward the Ph.D.degree.Her research interests include spreading spectrum communication and satellite communication.