擴頻接收基帶動態(tài)范圍分析與探討

胡正群,張 杰,施滸立,裴 軍,杜曉輝

（中國科學(xué)院國家天文臺,北京 100012）

擴頻接收基帶動態(tài)范圍分析與探討

胡正群,張 杰,施滸立,裴 軍,杜曉輝

（中國科學(xué)院國家天文臺,北京 100012）

接收信號動態(tài)范圍已成為衡量接收基帶性能的重要指標(biāo)。對擴頻衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中的擴頻通信接收基帶動態(tài)范圍從物理角度用數(shù)學(xué)方法進行了分析,闡述了擴頻接收基帶前端的射頻系統(tǒng)對接收基帶正常工作的影響,對擴頻接收基帶信號捕獲門限進行了探討分析,重點利用AD8310芯片設(shè)計了擴頻接收基帶自動增益控制（AGC）接口參考電平,可以實現(xiàn)擴頻接收基帶射頻（RF）信號大動態(tài)范圍的信號檢測和控制。

衛(wèi)星導(dǎo)航;擴頻通信;基帶;動態(tài)范圍;三階交調(diào);虛警概率

1 引 言

無線衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中,當(dāng)兩個或多個信號進入RF系統(tǒng)時,迭加信號會出現(xiàn)較高電平,從而使某些RF器件進入非線性工作區(qū),高電平信號就會產(chǎn)生互調(diào)信號,造成后端接收基帶虛假接收。同時,互調(diào)信號產(chǎn)生還會使噪聲電平提高,惡化信道信噪比,產(chǎn)生更大的誤碼率,降低了接收基帶對弱信號的搜索、捕獲、跟蹤、解調(diào)解擴的能力,即靈敏度會下降,形成信號漏捕或誤捕。接收基帶正常工作時,信號動態(tài)范圍制約著接收基帶的主要性能。本文對衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中,擴頻接收基帶前端的射頻系統(tǒng)對接收基帶動態(tài)范圍的影響進行了分析,基于概率論中虛警概率探討了接收基帶捕獲門限;最后,著重利用AD8310芯片和AGC系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)對信號大動態(tài)范圍的接收。

2 擴頻接收基帶動態(tài)范圍分析

本文分析的動態(tài)范圍指接收基帶能捕獲上信號的動態(tài)范圍,廣義上來說,是一種線性動態(tài)范圍,通過對接收基帶前端的信噪比以及單載波電平值來分析判斷接收基帶的工作動態(tài)范圍。RF接收端輸入單頻載波信號,并不斷增加幅度,至其輸出幅度比線性放大時減小1 dB,即1 dB壓縮點對應(yīng)的輸入功率P1dB與最小可檢測靈敏度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,輸出信號產(chǎn)生了新頻率分量信號,各次諧波和大多數(shù)交調(diào)產(chǎn)物都可以通過適當(dāng)?shù)臑V波器濾除,通常三階交調(diào)分量（2ω1-ω2,2ω2-ω1）對原始信號影響比較大,從幅度上來看,它和基頻的量級一樣,與輸入信號幅度的三次方成正比,在某一輸人信號的功率下,三階交調(diào)分量的功率會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的這一個功率點被稱為三階交調(diào)點（IP3）,分為輸入三階交調(diào)點（IIP3）和輸出三階交調(diào)點（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,它本身是非線性產(chǎn)生的干擾噪聲,實際上折合成系統(tǒng)噪底,它會使系統(tǒng)性能惡化,可能真正成為虛假信號,致使擴頻接收基帶產(chǎn)生誤獲。

因此,三階交調(diào)截取點IP3是一個衡量線性度或失真的重要指標(biāo)。交調(diào)失真現(xiàn)象對模擬微波通信來說,會產(chǎn)生鄰近信道的串?dāng)_;對于數(shù)字微波通信來說,它會降低系統(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)點與1 dB壓縮點的關(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靈敏度Prmin,由式（1）可知,這種情況可以提高線性動態(tài)范圍（LDR）,本文擴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)點與1 dB壓縮點之間存在一個線性關(guān)系。由式（1）可知,提高1 dB壓縮點或者提高三階交調(diào)點也可以提高線性動態(tài)范圍,這種情況在實踐中應(yīng)用比較多,因為它完全取決于元器件的使用,實現(xiàn)起來比較容易,而且不會影響到系統(tǒng)的其它參數(shù)。

實際應(yīng)用中,復(fù)雜的電磁環(huán)境使得多個信號進入RF接收端,從而在中頻產(chǎn)生交調(diào)產(chǎn)物,影響到擴頻接收基帶的正常工作。無虛假響應(yīng)動態(tài)范圍（SFDR）與三階交調(diào)點以及最小可檢測靈敏度Prmin的關(guān)系如式（8）所示[1]:

因此,提高三階交調(diào)點對于擴大擴頻接收基帶動態(tài)范圍有重要的作用。

3 擴頻接收基帶門限分析

擴頻接收基帶處理一般采用非相干延遲鎖相環(huán)對擴頻信號進行捕獲和跟蹤,擴頻碼的同步捕獲一般都需要將其相關(guān)峰值與一個門限值進行比較,從而判定擴頻碼是否同步[2]。擴頻接收基帶通過對帶寬內(nèi)能量作相關(guān)積分與門限值進行比較,當(dāng)積分能量高于門限的時候,接收基帶對信號捕獲,進入位同步狀態(tài),位同步上以后,接收基帶進入信號跟蹤狀態(tài),包括碼跟蹤和載波跟蹤。在此工作流程中,接收基帶的檢測門限是整個接收基帶正常工作的第一步,在衛(wèi)星擴頻通信中,有效信號淹沒在噪聲底下,到達接收天線的電平大約在-130 dBm左右,屬于弱信號范疇,過高的門限值使得接收基帶對微弱信號無法捕獲;過低的門限值使得接收基帶誤把噪聲當(dāng)成有用信號,接收基帶對信號形成誤捕,即產(chǎn)生虛警。擴頻信號捕獲檢測原理圖如圖2所示。

圖2 擴頻信號捕獲檢測原理圖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I/Q兩支路的噪聲是統(tǒng)計獨立的,σn為中頻采樣噪聲方差,則信號包絡(luò)的概率密度函數(shù)為

通常,接收基帶的解擴采用一個符號周期作為積分積累時間,對噪聲值進行積分累加,求得N個樣本數(shù)的門限值之和作為最終的判斷門限。以上分析都是基于在一個碼片的時間內(nèi)發(fā)生相位錯誤,信噪比一定的條件下進行的。因此,從門限值可以得出在輸入信號載噪比一定的條件下所輸入的最小信號功率,對于擴頻信號數(shù)字處理而言它可以作為擴頻信號捕獲的門限值,當(dāng)?shù)陀陂T限值時,擴頻信號將無法完成捕獲和跟蹤[4]。

4 擴大擴頻接收基帶接收信號動態(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,進入接收基帶的信號頻譜很多,最終都表現(xiàn)為雜波和干擾信號,大動態(tài)范圍對接收基帶而言顯得相當(dāng)重要。大動態(tài)范圍的輸入信號的變化會引起相關(guān)解調(diào)器輸出信號電平的變化,從而降低擴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載,可以保證接收基帶具有足夠的輸入動態(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數(shù)放大器,通過對輸入信號幅度進行對數(shù)壓縮可以擴展接收基帶的動態(tài)范圍。AD8310也是一款高頻、寬帶、寬動態(tài)檢波器,具有小體積、低功耗、高精度,高穩(wěn)定性、寬動態(tài)范圍等優(yōu)點[5],可以對頻率從直流到440MHz的寬帶信號,幅度從44 μ V到2.2 V的輸入信號檢波處理,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)時間快,在15 ns內(nèi)對接地負載的驅(qū)動電流可達25 mA,能瞬時處理信號,可以通過輸出直流電壓值的變化清晰地指示接收基帶信號的強度。

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

圖3 擴頻接收基帶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)輸出信號的功率基本保持恒定狀態(tài),需要提供兩個AGC檢測器來對信號進行處理:接收基帶擴頻碼未獲得捕獲前由AGC檢測器1來提供AGC信號,擴頻碼獲得捕獲后由AGC檢測器2來提供AGC信號。在試驗調(diào)試的鏈路中,接收基帶門限設(shè)計是以基帶信號處理后可以捕獲跟蹤信號作為依據(jù),AD8310本身具有100 dB左右的瞬時輸入處理動態(tài)范圍,因此,可以保證在大的輸入射頻信號的動態(tài)范圍內(nèi)快速完成基帶信號處理。

5 結(jié)束語

從以上分析可以得到,接收信號動態(tài)范圍與接收基帶前端RF系統(tǒng)的三階交調(diào)點存在正比例的關(guān)系,提高三階交調(diào)點能夠提高信號線性動態(tài)范圍。在衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)中,接收基帶的捕獲門限要根據(jù)鏈路余量的要求設(shè)計,不可過高或過低,否則不能捕獲信號或者形成誤捕。高線性、大動態(tài)范圍的擴頻接收基帶是衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)接收終端的發(fā)展方向,本文重點利用AD8310芯片設(shè)計電路將有效帶寬內(nèi)噪聲（包含擴頻信號）能量轉(zhuǎn)換成直流電壓設(shè)計為接收基帶AGC參考電平,使系統(tǒng)可以實現(xiàn)射頻信號較大動態(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

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目（2007CB815500）;國家自然科學(xué)基金資助項目（61001109）

胡正群（1981-）,男,廣西桂林人,碩士,研究實習(xí)員,主要研究方向為擴頻通信、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,研究實習(xí)員,主要研究方向為擴頻通信、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,主要研究方向為導(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,主要研究方向為導(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,山東濟寧人,博士研究生,主要研究方向為擴頻通信、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.