芯耀
与非AI
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一、简介
现在的无线电通信环境里，接收机的动态范围太关键了。因为它既要能接住强信号，又要能接住弱信号，更关键的是，就算周围有强信号干扰，它也得把弱信号稳稳接收下来。
现在市面上的无线电设备越来越多，空中一直都飘着大量各种信号。就拿手机来说，它就得同时处理远处来的弱信号和近处的强信号，不能顾此失彼。像收音机这类设备，射频电路的设计直接决定了它动态范围的好坏，所以我们在一开始设计构思的时候，就得把这些因素考虑到位，不能后期再补。
虽说动态范围对无线电接收机、无线电通信这类应用很重要，但它在好多其他领域也一样关键。比如照相机、调音台，还有很多需要处理不同大小输入信号的设备，都离不开这个指标。
不同设备的具体参数可能差得挺多，但动态范围的核心概念都是一样的——说白了就是一台设备能正常、稳定处理输入信号的范围，超出这个范围信号就会失真或者接收不到了。
二、什么是动态范围呢？
无线电接收机动态范围的准确定义是：接收机能够成功收下我们需要的信号，对应的输入信号强弱范围，就是它的动态范围。
和接收机动态范围挂钩的参数有不少，这些参数对我们各类无线电通信应用来说，都很关键，不能忽视。
这个范围的下限，是由接收机的灵敏度决定的——灵敏度越高，下限越低，越能收到微弱信号；上限则由接收机的过载能力，也就是强信号处理能力说了算——过载能力越强，上限越高，遇到强信号也不会罢工。不过要注意，测量接收机动态范围，行业里有好几种不同的惯例，不是只有一种方法。
技术规格书里给的动态范围数据，一般要么基于互调性能来测，要么基于阻塞性能来测。但可惜的是，这两类数据没法直接拿来对比，因为和很多其他参数一样，动态范围也有好几种不同的表述方式，测算依据不一样，结果自然没法直接比。
下图展示的就是无线电接收机动态范围的核心概念。
不过想搞明白无线电接收机的动态范围到底啥意思，看看它是咋测量出来的倒是挺有用的。
三、灵敏度
首先得说说接收机的灵敏度。任何无线电接收机，内部产生的噪声都是主要限制因素。很多无线电通信应用里，会用到信噪比或者噪声系数。
但在动态范围的参数里，常常用到一个叫最小可辨信号（MDS）的数值。一般来说，这个信号的强度和噪声水平差不多。
因为噪声水平和所用的带宽有关，所以参数里也得提一下带宽。通常MDS的单位是dBm，也就是相对于1mW的dB数，典型值在3KHz带宽里大概是-135dBm。
四、强信号处理能力
灵敏度重要，接收机处理强信号的能力也同样关键。
动态范围的参数里，有几个指标可能挺重要的：
- 三阶产物：当带内信号的谐波混在一起时，问题就来了。会产生一串信号，如下图所示，这些信号可能刚好落在某个微弱但有用的电台频率上，把它盖住，让人听不见。
计算这些杂散信号的频率很简单。如果输入频率是f1和f2，那么产生的新频率会是2f1-f2、3f1-2f2、4f1-3f2等等。在两个主要信号或者说原始信号的另一边，还会产生2f2-f1、3f2-2f1、4f2-3f1等等频率的信号，就像图里画的那样。这些被称为奇次互调产物。两个f1加一个f2产生的是三阶产物，三个f1加两个f2是五阶产物，依此类推。从图里能看出来，主要信号两边，先是三阶产物，然后是五阶、七阶等等。
举个具体的例子吧。如果频率30.0MHz和30.01MHz有强信号，那么互调产物会出现在30.02、30.03、30.4……MHz，还有29.99、29.98、29.97……MHz这些频率上。
下图是两个信号产生的互调产物的频谱。
- 阻塞（Blocking）：强信号存在时还有个问题，叫阻塞。顾名思义，强信号可能会阻塞接收机，至少会降低它的灵敏度。比如听一个信号比较弱的电台时，附近有发射器开始工作，那个想听的信号就变弱了，这就是阻塞的效果，如下图所示。原因是前端射频放大器进入了压缩状态，这时候最强的信号会“抢占”放大器，让其他信号变弱，跟调频信号的“捕获效应”差不多。
不管是手机还是重要的无线电系统，很多无线电通信应用里，接收机的这个性能都特别关键。
阻塞的程度显然和信号强度有关，还和这个强信号离信道有多远有关。离得越远，前端调谐电路对它的衰减就越大，影响也就越小。通常说阻塞的时候，会给出一个数值：在特定偏移量（一般是20KHz）下，让增益下降3dB的那个无用信号的强度。
- 非线性截点（Intercept point）：理想情况下，射频放大器的输出应该和输入成正比，不管信号多大。但实际上，放大器的输出能力有限，超过一定程度后，输出就达不到该有的水平了，因为它处理不了那么大的信号。就像下面的曲线显示的那样，放大器在特性曲线的低端是线性的，但随着输出级处理不了高功率，信号就开始被压缩，曲线会出现弯曲。
射频放大器本身的非线性，其实算不上大问题，但它带来的副作用，才是真让人头疼的。信号经过非线性元件后，主要会产生两个影响：第一个是产生谐波，不过这个还好，一般造不成啥大麻烦。要让谐波刚好落在接收频率附近，得有一个频率刚好是接收频率一半的信号进到放大器里才行，而我们的前端调谐电路，通常会把这种信号衰减到足够弱，多数情况下根本察觉不到它的影响。
第二个影响是不同信号之间会发生混频，产生无用的杂散产物。不过这个问题其实也不容易出现，因为前端调谐电路按理说能把那些可能引发混频的干扰信号充分滤除掉。真正麻烦的是带内信号的谐波之间相互混频——这种情况躲不开、滤不掉，才是我们要重点盯着的问题。
五、动态范围参数
看动态范围参数的时候，解读起来得留心。低端的最小可辨信号（MDS）要仔细看，但高端的限制因素在参数表述上差别就大了。
用阻塞来衡量时，通常规定灵敏度下降3dB，不过有些情况也用1dB。用互调产物当限制因素时，常常用到和MDS相等的输入信号电平。但不管给的是什么参数，都得仔细解读，因为不同接收机的测量方式可能略有不同。
感受一下具体数值的话，互调产物为限制因素时，动态范围一般在80到90dB；专业无线电通信用的好接收机，以阻塞为限制因素时，动态范围通常能到115dB左右。
六、优化动态范围的设计要点
想设计一台既灵敏度高、又有宽动态范围的接收机，可不是件容易事。我们得在射频电路设计里仔细平衡好各种参数，才能让它达到最佳性能。但这对很多无线电通信系统来说都至关重要，尤其是移动无线电设备离得很近的时候，对接收机的要求会更高。
要实现这个目标性能，我们可以从这几个方面入手：
- 前端噪声性能：接收机前端的射频电路，对整体噪声性能影响最大，设计时要优先优化噪声性能，而不是先追求增益。输入阻抗匹配这块很关键，有意思的是，能实现最佳阻抗匹配的状态，和能实现最佳噪声性能的状态并不是完全一样的。另外包括有源器件在内的所有电子元件，我们都得选噪声性能出色的。
- 前端输出能力：前端放大器得有足够高的输出能力，这样才不容易出现过载。射频设计要兼顾两点，既要保证充足的输出能力，又不能让电路产生过高的噪声，这两者得做好平衡。
- 高电平混频器：混频器的工作状态，是保证接收机有良好动态范围和抗过载能力的关键之一。我们做接收机射频设计时，得确保混频器不会过载，所以混频器前面的电路不能设计太大的增益。而且必须选用高电平混频器——说白了就是专门设计成能承受高电平本地振荡信号的混频器，这样它才能扛住高输入信号，还不影响自身性能。
- 接收机后级：射频电路设计要保证，接收机后级能扛得住强信号输入时可能出现的信号电平。其实计算接收机各级可能出现的最大信号电平并不难，我们只要让射频设计能应对这些最大电平就可以。后级的噪声性能没那么关键，所以我们可以用大电流设计，确保它能稳稳处理需要应对的信号电平。
- 自动增益控制（AGC）：我们在射频设计里加一套靠谱的AGC系统，也能帮着防止电路过载，避免产生无用的杂散信号。核心原理就是根据输入信号的电平高低，给接收机前几级加对应的控制电压，以此保证后级电路不会过载。不过AGC的电路设计可能会比较复杂，因为针对调幅、单边带这类不同调制方式，AGC环路需要搭配不同的时间常数，才能实现最佳的增益控制效果。具体可以参考文章收发信机基础知识---自动增益控制（AGC）功能介绍
这些只是设计高动态范围接收机的射频电路时，需要考虑的几个问题。
不管是传统的短波接收机、手机，还是其他类型的接收机，动态范围好的话，应对复杂环境的能力都会强得多。
很多应用都需要灵敏度，但如果附近有强信号（不管是频率上还是位置上接近），灵敏度就发挥不出来，那再高的灵敏度也没用。
