电子系统中动态范围的各要素分析与研究

作者：Jack Browne

动态范围是电子系统中的一个关键参数，但在试图设计一个具有极优性能的系统时，它经常是一个难以在元件级比较的参数。动态范围指标经常被三阶截取点（TOi）这样一个概念化参数定义在上限值。为了充分理解系统中接收器或射频/微波元件的动态范围极限，首先需要理解组成动态范围的各个要素。

动态范围一般用分贝（dB）表示，是一个电路、元件或系统可以处理的最大信号电平（相对于1mW功率的dBm值）与可以处理的最小信号电平（单位dBm）的比值。有多种参数可以用来定义最高电平信号（如1dB压缩点和TOi点），例如放大器的1dB压缩点是指元件线性性能开始下降的地方。在线性条件下，输入功率每增加1dB，输出功率也将增加1dB。当输出增加幅度比输入增加幅度小1dB时，就到了放大器的1dB压缩点。

同样，表征混频器的动态范围通常是指一端为1dB压缩点、另一端为混频器噪声系数。对于无源混频器来说，热噪声或噪声系数基本上是相等的，因此混频器的动态范围通常取决于1dB压缩点。当超过这个电平时，混频器会产生不可接受的互调失真电平，进而干扰低电平信号。

通用的使用经验表明，无源射频混频器1dB压缩点发生处的信号幅度比混频器使用的本地振荡器（LO）功率低约5至10dB。许多无源射频混频器供应商根据工作所要求的LO功率大小将他们的产品贴上不同的工作电平标签，如低电平、中等电平或高电平混频器。整个行业内对低电平或高电平混频器的定义可能有所不同，但大约+7dBm的LO电平一般都定义为低电平混频器，而+10dBm和+14dBm的LO电平通常分别被定义为中电平和高电平混频器。

例如，混频器供应商Mini-Circuits公司所提供混频器的LO电平就覆盖了从+3dBm到+17dBm的范围。一般来说，根据上述经验，具有较高LO驱动电平的混频器将产生较高的1dB压缩点，因而具有较高的接收器动态范围。

当用截取点指标来比较混频器时，对用于比较的输入或输出截取点的标准化非常重要。不管是哪种情况，高截取点代表混频器可以提供大的动态范围，因为它在产生干扰有用信号的互调失真之前可以处理更高的信号电平。

1dB压缩点是一个实际的工作点，而接收器、混频器或放大器的TOi则是一个纯数学概念，它将泰勒级数展开式的三阶非线性项的非线性乘积关联到混频器或放大器等元件的线性输出信号。虽然TOi是一个更加有用的参数，因为它引用了落在感兴趣的基频信号附近的阻塞或干扰信号，但在某些情况下，元件的线性度也可能被定义为二阶截取点，这时使用的是泰勒级数展开式的二阶项。由于干扰信号非常靠近有用信号，因此很难甚至不可能在不衰减有用信号的条件下通过滤波来去除干扰信号。

使用单音测试信号（见图）时截取点可以被认为是谐波的一个函数，或者在使用双音测试信号时由互调产物决定截取点。谐波电平的测量值单位是dBc，或者低于有用载频信号的谐波分贝电平，而互调失真通常用相对于1mW功率（dBm）的dB值表示。需要着重指出的是，两类截取点的电平是不同的，因此在比较不同元件、设备或系统的动态范围时应该使用相同类型的截取点。

图：这是根据谐波输入信号的三阶电平画出的TOi曲线。

在接收器中，动态范围从高电平端的TOi点延伸到低电平端的灵敏度。TOi是信号饱和与失真效应的结果，而影响灵敏度的因素包括工作环境的热噪声和接收器的噪声系数、杂散电平、谐波和相位噪声。接收器的动态范围很大程度上取决于系统中的混频器和放大器，但也受信号链中有源和无源滤波器的限制。

位于接收器前端的自动增益控制（AGC）电路对于避免信号饱和与杂散信号产生很有用。在与带显示屏的测量接收机（如频谱分析仪）相似的测试设备中，显示的平均噪声电平（DANL）一般用于代表动态范围的底端。

灵敏度有时容易令人误解。例如，当存在大信号时接收器灵敏度可能受到不良影响。在比较接收器时，当附近有高电平信号的情况下，具有高灵敏度的接收器对低电平信号的处理性能可能没有灵敏度低的接收器好。一般情况下，在做这种比较时必须参考动态范围指标，因为灵敏度低但动态范围大的接收机在处理没有受到互调失真影响的低电平信号时要比灵敏度高但动态范围小的接收机效果好。

在灵敏度方面，接收器有时使用一种被称为最小可辨别信号（MDS）的品质因数，这是一个等于噪声电平的信号电平，通常用dBm表示。因为噪声电平取决于接收器或频谱分析仪的分析带宽，因此在通过MDS值进行比较时应对分析带宽作归一化处理。

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