浅析接收机的大动态设计

论文关键词:增益线性动态STC AGC
　　论文摘要:本文介绍了两种扩大接收机动态范围的方法，以及在工程设计中的应用。
　　引言
　　对于雷达接收机，大动态设计是非常重要的。因为在实际的雷达信号环境下，进人接收机频带的信号频谱很多，除了有用信号频率外，还有杂波和干扰信号频率。如果雷达接收机是一个理想的线性系统，这些信号经过接收机放大、变频、检波等变换，再经数字信号处理后就能提取出目标信号。但是接收机总是存在某种程度的非线性，并且由于这种非线性作用，使得接收信号的频谱总会有些变化。例如，进人接收机的各种回波信号的交调会产生两个或多个新频率信号，若非线性所产生的信号超过检测门限，则会形成“虚警”，为了保证“虚警”在一定的限度内，就必须提高检测门限，这样就会降低雷达对小信号的辨别能力，或者说可能产生“漏警”。由此可见，提高接收机的动态范围是十分必要的。
　　2系统大动态的实现方法
　　系统大动态的实现方法可分为实现系统大线性动态的方法和扩大总动态的方法。
　　2.1实现系统大线性动态的方法
　　要实现系统大线性动态，第一种方法是合理分配增益。雷达接收机系统的增益是由接收机的灵敏度、动态范围以及接收机输出信号的处理方式所决定的。在现代雷达接收机中，接收机输出的中频信号或基带信号一般要通过A/D转换器转换成数字信号再进行信号处理。所以，当根据动态范围和噪声系数的需要为接收机选择了适当的A/D转换器后，接收机的系统增益就确定了。接收机的增益确定以后就要对增益进行合理的分配，增益分配首先要考虑接收机系统的噪声系数。一般来说，高频低噪声放大器的增益要比较高，以减小放大器后的混频器和中频放大器的噪声对系统噪声系数的影响。但是高放的增益也不能太高，一方面会影响放大器的工作稳定性，另一方面会影响接收机的动态范围。所以，增益、噪声系数和动态范围是三个互相关联而又相互制约的参数。下面我们以工程设计中某个雷达的接收机为例来说明增益、噪声系数和动态范围三者之间的关系。
　　接收机的噪声系数为Fs=2.OdB，线性动态范围为60dB， A/D转换器最大输人信号电平为2vp-p (50S2负载)，接收机的信号匹配带宽为3.3MHz，接收机的临界灵敏度
　　Psmin (dB/mw)=一114dBm+lOlg}f (MHz) +2dB=一107dBm
　　接收机输人端的最大信号功率电平为
　　 P}，---107+60=-47dBm
　　接收机最大输出信号的功率电平为

　接收机的系统增益为57dBo接收机中各功能模块的增益及信号电平关系如图1，在该图中，各功能模块电路上方的dBm值为最大信号，下方为最小信号，差值为动态范围。

　　从上图中可以看出来，混频器n的最大输人电平为一4dBm，这是很容易实现的;但是如果接收机系统的线性动态范围要求为80dBm，则混频器n的最大输人电平则变为+16dBm，这对混频器来说是非常困难的。但是如果把两种LNA的增益各减小SdB，这样混频器的最大输人电平变为++6dBm，这就变得可以实现了，当然增益减小后还要兼顾其对系统噪声系数的影响。
　　实现系统大线性动态，第二种方法是设计或选用动态范围大的器件。从图1可以看出，为了把动态范围扩大到80dB，中频放大器的1dB压缩点可能从一SdBm增加到++15dBmo另外，为了与A/D转换器的接口相匹配，最大输出信号应保持++lOdBm，那么最小信号可能达到一70dBm，接收机的噪声只能在A/D转换器中占一位，这就大大增加了A/D转换器的设计难度。解决这一问题的方法:一是进一步提高A/D转换器的位数及最大输人电平;二是将中频信号接人对数放大器，经过对数压缩后，再进行A/D转换，这样就大大减轻了A/D转换器的压力。
　　2.2扩大接收机总动态的方法
　　在现代雷达接收机中，往往要求接收机的动态范围大到100dB甚至更高，这就要求在扩大接收机的线性动态的同时，用STC ， AGC控制电路来进一步扩展接收机的动态范围。
　　STC可以用数控衰减器来完成，数控衰减器的优点:一是控制灵活，控制信号可以根据雷达周围的杂波环境来确定;二是STC可以设置在中频、射频，甚至可以放置在接收机输人端的馈线里，会使接收机的抗饱和性(动态范围)大大地提高。图2给出了一种射频STC电路方框图。
　　它是由一个射频衰减器及其sTc信号产生器组成的，而射频衰减器是由PIN管衰减器组成的。STC信号产生器用以产生一个随时间延迟变化的偏置电流。它是由距离计数器、EPROM ， ， D/A转换器和电流驱动器组成的。首先，距离计数器由导前脉冲清零，然后对输人时钟信号进行计数，每一个时钟脉冲表示一个距离单元(1 ws对应150米)。同时，距离计数器的输出作为地址码对EPROM寻址，EPROM的每一个存储单元的 12bit数据是预先编程的，这些数据是随时延(即距离)的增加而逐渐降低的。然后，这些数据按时间先后顺序，通过一个数据寄存器IS-374加到D/A转换器，由此转换成模拟信号。最后，这些模拟信号通过电流驱动器，变成具有阶梯形状的偏置电流。当这种偏置电流提供给PIN衰减器时，通过衰减器的高频信号将按偏置电流成比例地衰减。
　　AGC电路对接收机进行增益控制，它可以防止强信号引起的接收机过载，可以补偿接收机增益的不稳定，在跟踪雷达中用于保证角误差信号的规一化。
　　图3给出了单脉冲雷达接收机AGC组成框图
　　从图3可以看出，和支路输出的信号通过AGC电路后输出EAGC电压去控制三路接收机的衰减器，对三路接收机进行增益控制。当大目标处于近距离时，其反射信号很强，这就可能使接收机发生过载，破坏接收机的正常工作，这时接收机的增益降低;当输人信号弱时，接收机增益就提高。在接收机中使用两个衰减量为40dB的电调衰减器，在前中中使用1个衰减量为40dB的电调衰减器，AGC对接收机前中、主中同时起控，这样AGC的控制范围就可达到120dB，这就大大地提高了接收机的动态范围。

　　3结束语
　　综上所述，合理分配接收机增益的方法可以提高接收机的线性动态范围，采用STC，AGC控制电路可以进一步扩展接收机的动态范围。在接收机的工程设计中，将两种方法合理的加以应用，就可以设计出符合要求的大动态接收机。