第二章电视调谐器系统性能分析 Pnmim PRs+NF+SNRoutre (2-4) 其中，PRs+NF被称为接收机的噪声基底。 调谐器接收到的信号功率不是恒定的，可能在-90~-20dBm范围内变化。图 2-3给出了随着信号功率的变化，系统输出信噪比的变化曲线。其中虚线表示理 想无噪声条件下的输出信噪比，实线为实际情况下的输出信噪比。由于噪声系数 NF的存在，在输入信号功率较小时，实际输出信噪比比理想情况向右平移。在 输入信号功率较大时，信噪比不能继续提高，这是由于系统非线性因素的作用， 将在下一节中作详细介绍。 参见表2-2，如选择16QAM调制，3/4码率模式，此时输出信噪比要求为 12.5dB,那么理想条件下，NF=0dB,调谐器灵敏度可以达到-92.5dBm。但是 实际情况下，调谐器总是不可避免地会产生一定的噪声，如果设计实现的调谐器 NF=8dB,那么灵敏度就下降到-84.5dBm。 分析式可以发现，系统的信号灵敏度取决于三个因素，即信号带宽，系统噪 声系数和输出信噪比要求。信号带宽越大，噪声基底越高，灵敏度越差，这也就 是为什么通常GSM系统的信号灵敏度[5]可以达到-102dBm,因为它只需要 200KHz的带宽，相对于数字电视信号小得多。系统噪声系数越大，灵敏度越差。 调制方式越复杂，码率越高，对于调谐器输出信噪比的要求越苛刻，灵敏度也会 由此变差。 50 SNRou /dB Ideal tuner 40 Actual tuner 30 20 Required SNRout 10 E Sensitivity Input signal level /dBm 0 T-105-95-85-75-65-55 45-35-25→ 图2-3输出信噪比与输入信号功率的关系 11
第二章 电视调谐器系统性能分析 11 P P NF SNR in,mim RS out,req = + + (2-4) 其中，PRS+NF 被称为接收机的噪声基底。 调谐器接收到的信号功率不是恒定的，可能在-90~-20dBm 范围内变化。图 2-3 给出了随着信号功率的变化，系统输出信噪比的变化曲线。其中虚线表示理 想无噪声条件下的输出信噪比，实线为实际情况下的输出信噪比。由于噪声系数 NF 的存在，在输入信号功率较小时，实际输出信噪比比理想情况向右平移。在 输入信号功率较大时，信噪比不能继续提高，这是由于系统非线性因素的作用， 将在下一节中作详细介绍。 参见表 2-2，如选择 16QAM 调制，3/4 码率模式，此时输出信噪比要求为 12.5dB，那么理想条件下，NF=0dB，调谐器灵敏度可以达到-92.5dBm。但是 实际情况下，调谐器总是不可避免地会产生一定的噪声，如果设计实现的调谐器 NF=8dB，那么灵敏度就下降到-84.5dBm。 分析式可以发现，系统的信号灵敏度取决于三个因素，即信号带宽，系统噪 声系数和输出信噪比要求。信号带宽越大，噪声基底越高，灵敏度越差，这也就 是为什么通常 GSM 系统的信号灵敏度[5]可以达到-102dBm，因为它只需要 200KHz 的带宽，相对于数字电视信号小得多。系统噪声系数越大，灵敏度越差。 调制方式越复杂，码率越高，对于调谐器输出信噪比的要求越苛刻，灵敏度也会 由此变差。 -105 Input signal level /dBm SNRout /dB NF -95 -85 -75 -65 -55 -45 -35 -25 0 10 20 30 40 50 Ideal tuner Actual tuner Required SNRout Sensitivity 图 2-3 输出信噪比与输入信号功率的关系
第二章电视调谐器系统性能分析 2.4线性度分析 2.4.1三阶非线性 DVB-T标准中，电视信号采用多载波模式，且带宽较大。为便于分析，将 系统输入表示为三个幅度相同，频率不同的信号的叠加， x(t)=Acos@,t+Acos@2t+Acos@t (2-5) 对于一个非线性系统，忽略三次以上高阶项，其传递函数可表示为 y(t)=ax(t)+azx2(t)+agx3(t) (2-6) 经过代入计算可得到输出各频率成分的幅度，见表2-3。其中，第1项为需 要的信号，第2,3项为电路的二阶非线性产生的干扰，第4,5,6项为电路的 三阶非线性产生的干扰。 图2-46]以NTSC系统为例，给出了多载波模式下，因系统二阶和三阶非线 性产生的各种频率成分在频谱上的个数分布情况。在55.25MHz~901.25MHz范 围内，输入142个载波，输出频率成分中，A+B-C,A-B+C,A-B-C三类落在带 宽内的个数最多，总合达到了7165个，并且在宽带中心频率处达到峰值。根据 数理统计[6，这个峰值为3P,其中N为带宽内的输入载波个数。 8 再分析表2-3中各频率成分的幅度，第4项和第5项都小于第6项。可见 对于系统的三阶非线性而言，第6项是其所产生的主要干扰。 序号 频率成分 幅度 1 01,02,03 A+百， 2 20,202,2mg3 3 01±02,01±03,02±03 a42A2 4 301,302,303 443 1 5 201±02,202±01,20，±03,203±01,202±03,203±02 6 01+02+03,01+02-03,01-02+03,01-02-03 8小 表2-3输出各频率成分及其幅度 亿
第二章 电视调谐器系统性能分析 12 2.4 线性度分析 2.4.1 三阶非线性 DVB-T 标准中，电视信号采用多载波模式，且带宽较大。为便于分析，将 系统输入表示为三个幅度相同，频率不同的信号的叠加， ( ) 123 x t A cos t A cos t A cos t =++ ω ω ω (2-5) 对于一个非线性系统，忽略三次以上高阶项，其传递函数可表示为 ( ) ( ) ( ) ( ) 2 3 12 3 yt xt x t x t =+ + αα α (2-6) 经过代入计算可得到输出各频率成分的幅度，见表 2-3。其中，第 1 项为需 要的信号，第 2，3 项为电路的二阶非线性产生的干扰，第 4，5，6 项为电路的 三阶非线性产生的干扰。 图 2-4[6]以 NTSC 系统为例，给出了多载波模式下，因系统二阶和三阶非线 性产生的各种频率成分在频谱上的个数分布情况。在 55.25MHz~901.25MHz 范 围内，输入 142 个载波，输出频率成分中，A+B-C，A-B+C，A-B-C 三类落在带 宽内的个数最多，总合达到了 7165 个，并且在宽带中心频率处达到峰值。根据 数理统计[6]，这个峰值为 3 2 N 8 ，其中 N 为带宽内的输入载波个数。 再分析表 2-3 中各频率成分的幅度，第 4 项和第 5 项都小于第 6 项。可见 对于系统的三阶非线性而言，第 6 项是其所产生的主要干扰。 序号 频率成分 幅度 1 123 ω , , ω ω 3 1 3 15 4 α α A A + 2 2 ,2 ,2 ω123 ω ω 2 2 1 2 α A 3 1 21 32 3 ω ±± ± ωω ωω ω , , 2 α2A 4 3 ,3 ,3 ω123 ω ω 3 3 1 4 α A 5 2 ,2 ,2 ,2 ,2 ,2 ω1 2 2 11 3 3 12 3 3 2 ± ±± ± ± ± ωω ωωωω ωω ωω ω 3 3 3 4 α A 6 1 2 31 2 31 2 31 2 3 ω ++ +− −+ −− ω ωω ω ωω ω ωω ω ω ,,, 3 3 3 2 α A 表 2-3 输出各频率成分及其幅度
第二章电视调谐器系统性能分析 QUANTITY OF SECOND AND THIRD ORDER DISTORTION PRODUCTS VS FREQUENCY FOR 142 NTSC CARRIERS(55.25 MHz TO 901.25 MHz) XA+B 475.25 MHz=0MHz 10000 7165 ◆A-B 4821 米2A+B 1225 1000 1119 ●60 +2A-B 4180 十139 A+B+C 100 ◆币1 63 44 -A-B+C 35 ×29 +2 米1 ●A+B.C 10 8 -A-B-C 2 ■(A+B-C) +A-B+C)】 -3 -2 -1 0 2 3 6 +(A-B-C) FREQUENCY IN MHZ 图2-4由非线性产生的各频率成分的个数分布 对于射频系统而言，一般以双音(Two-tone)测试得到的输入参考三阶交调点 (Input referred third order intercept point,.lP3)作为衡量三阶线性度的参数。llP3 的定义中考量表2-3中的第5项作为三阶交调分量(M3),其表达式如下： IIP3=P -IM3 2 (2-7） IM3=2(P-P3)+P。 (2-8) 其中P和P。分别表示输入和输出信号功率。而随着信号带宽的增大，频道个数 大幅度提高，传统的三阶交调量己经无法衡量系统三阶非线性产生的干扰功率， 取而代之的是复合三阶差拍失真(Composite triple beat,.CTB)[7,8]。三阶差拍失 真表示的是所有三阶非线性失真的功率总和，即表2-3中第6项的功率总和，幅 度是第5项的2倍，即功率高6dB。因此，可以得到在频带中心处，复合差拍 失真的功率表达式： CTB(dBm)=IM3+6dB+10xlogio(Number of CTBs) 13
第二章 电视调谐器系统性能分析 13 图 2-4 由非线性产生的各频率成分的个数分布 对于射频系统而言，一般以双音(Two-tone)测试得到的输入参考三阶交调点 (Input referred third order intercept point, IIP3)作为衡量三阶线性度的参数。IIP3 的定义中考量表 2-3 中的第 5 项作为三阶交调分量(IM3)，其表达式如下： o i P IM3 IIP3 P 2 − = + (2-7) IM3 2 P IIP3 P = ( i o − +) (2-8) 其中 Pi 和 Po分别表示输入和输出信号功率。而随着信号带宽的增大，频道个数 大幅度提高，传统的三阶交调量已经无法衡量系统三阶非线性产生的干扰功率， 取而代之的是复合三阶差拍失真(Composite triple beat, CTB)[7,8]。三阶差拍失 真表示的是所有三阶非线性失真的功率总和，即表 2-3 中第 6 项的功率总和，幅 度是第 5 项的 2 倍，即功率高 6dB。因此，可以得到在频带中心处，复合差拍 失真的功率表达式： CTB(dBm) IM3 6dB 10 log (Number of CTBs) = + +× 10
第二章电视调谐器系统性能分析 -2(P.-IP3)+P,+6dB+10xlogn(3N) =2(P。+10×logioN-IlP3)+P。+1.74dB =2(P-llP3)+P。+1.74dB (2-9) 其中，P。为每个载波功率，P。为输出载波功率，N为频带内的载波个数，P为 单个频带输入总功率。 对于DVB-T系统，电视信号带宽达到50MHz~860MH2,如果选择8MHz 频带宽度模式，那么包含总的频带个数约为100个。这100个频带都会由于系 统三阶非线性的作用产生相互交调，使得系统输出复合差拍失真功率大幅度提 高。将频带个数考虑在内，重新计算，得到 CTB(dBm)=IM3+6dB+10xlogo(Number of CTBs) -2(P.-WP3)+P.+6dB+10xlgw((1OQN)) =2(P-llP3)+P。+41.74dB (2-10) 根据本章第一节对DVB-T标准中信噪比要求的描述，如果采用16QAM调制方 式，3/4码率模式，信噪比的要求是12.5dB。考虑到其他可能存在的信噪比恶化 因素，留3dB裕量，则 P。-CTB≥SNRoureg+3dB (2-11) 将式代入，得到 -2(P-lP3)-41.74dB≥12.5dB+3dB lP3≥P+28.62dB (2-12) 可见，lP3的要求与接收到的信号功率强弱成线性关系。当P=-80dBm时，只 要求P32-51.38dBm,很容易设计实现；而当P=-20dBm时，要求 IlP3≥8.62dBm,此时，对系统lP3的要求达到最大值。 2.4.2二阶非线性 与三阶非线性的分析类似，在二阶非线性分析中，重点考量复合二阶 (Composite second order,SCO)失真，根据数理统计[6]，如果输入信号带宽为 f~f,N个载波，则在f无处（即w2-w1=f)产生的二阶交调量个数最多，近似为N。 复合二阶失真功率表达式如下 CSO(dBm)=IM2+10xlog o(Number of CSO beats) 14
第二章 电视调谐器系统性能分析 14 ( ) 2 c o 10 3 2 P IIP3 P 6dB 10 log ( N ) 8 = − ++ +× = +× − ++ 2 P 10 log N IIP3 P 1.74dB ( ) c 10 o = − ++ 2 P IIP3 P 1.74dB ( ) i o (2-9) 其中，Pc 为每个载波功率，Po 为输出载波功率，N 为频带内的载波个数，Pi 为 单个频带输入总功率。 对于 DVB-T 系统，电视信号带宽达到 50MHz~860MHz，如果选择 8MHz 频带宽度模式，那么包含总的频带个数约为 100 个。这 100 个频带都会由于系 统三阶非线性的作用产生相互交调，使得系统输出复合差拍失真功率大幅度提 高。将频带个数考虑在内，重新计算，得到 CTB(dBm) IM3 6dB 10 log (Number of CTBs) = + +× 10 ( ) ( )2 c o 10 3 2 P IIP3 P 6dB 10 log ( 100N ) 8 = − ++ +× = − ++ 2 P IIP3 P 41.74dB ( ) i o (2-10) 根据本章第一节对 DVB-T 标准中信噪比要求的描述，如果采用 16QAM 调制方 式，3/4 码率模式，信噪比的要求是 12.5dB。考虑到其他可能存在的信噪比恶化 因素，留 3dB 裕量，则 P CTB SNR 3dB o out,req −≥ + (2-11) 将式代入，得到 −− − ≥ + 2 P IIP3 41.74dB 12.5dB 3dB ( ) i i IIP3 P 28.62dB ≥ + (2-12) 可见，IIP3 的要求与接收到的信号功率强弱成线性关系。当 Pi=-80dBm 时，只 要 求 IIP3≥-51.38dBm ，很容易设计实现；而当 Pi=-20dBm 时，要求 IIP3≥8.62dBm，此时，对系统 IIP3 的要求达到最大值。 2.4.2 二阶非线性 与三阶非线性的分析类似，在二阶非线性分析中，重点考量复合二阶 (Composite second order, SCO)失真，根据数理统计[6]，如果输入信号带宽为 fL~fH，N 个载波，则在 fL处(即 ω2-ω1=fL)产生的二阶交调量个数最多，近似为 N。 复合二阶失真功率表达式如下 CSO dBm IM2 10 log Number of CSO beats ( ) = +× 10 ( )
第二章电视调谐器系统性能分析 =P.-llP2+P。+10×:logo N =P-IlP2+P。 (2-13) 其中，PC为输入每个载波功率，Po为输出每个载波功率，P为单个频带输入总 功率。考虑到实际可能会有100个频带同时存在，需要调谐器能够正确处理， 那么，复合二阶失真功率表达式应为 CSO(dBm)=IM2+10xlogo(Number of CSO beats) =P。-IlP2+P。+10×logo(100N) =P-llP2+P。+20dB (2-14) 结合信噪比要求，那么 P。-CSO≥SNRoutreg+3dB (2-15) 将式代入，得到 lP2≥P+35.5dB (2-16) 同样，IP2的要求与接收到的信号功率强弱成线性关系。当P=-80dBm时，只 要求IlP2≥-45.5dBm,很容易设计实现：而当P=-20dBm时，要求lP2≥15.5dBm, 此时，对系统P2的要求达到最大值。 联系到本章第二节的增益分析，当接收到的信号功率较强时，系统的增益较 小；当信号功率较弱时，系统增益较大。因此，在系统设计时，应着重考虑提高 系统在小增益模式工作时线性度，使其能够达到更高的信噪比，从而能够成功处 理更大功率的信号；而在大增益模式下，着重降低系统的噪声系数，使系统能够 实现更好的灵敏度。两者结合，就能够实现更大的动态范围。 2.5镜像抑制 在混频过程中，如果输出非零中频，就会有镜像干扰问题。以下变频为例， 假设输入信号频率为fx,本振信号为fo,那么输出中频为fx-fo。假如在2fo-fx 频率处，也存在有某个不需要的信号，那么因为fo(2o)=fxfo,可见该信号 也会被混频至中频处，形成干扰，如图2-5所示。因此，需要在混频前对镜像信 号进行抑制。以有线数字数据传输接口标准(Date-over-Cable Service Interface Specification,DOSCIS)[9]的定义为例，在256QAM调制方式下，为保证镜像干 扰对信噪比的恶化小于0.1dB,镜像抑制比必须达到59.33dBc。 15
第二章 电视调谐器系统性能分析 15 =− ++× P IIP2 P 10 log N c o 10 =− + P IIP2 P i o (2-13) 其中，Pc 为输入每个载波功率，Po 为输出每个载波功率，Pi 为单个频带输入总 功率。考虑到实际可能会有 100 个频带同时存在，需要调谐器能够正确处理， 那么，复合二阶失真功率表达式应为 CSO dBm IM2 10 log Number of CSO beats ( ) = +× 10 ( ) =− ++× P IIP2 P 10 log 100N c o 10 ( ) =− + + P IIP2 P 20dB i o (2-14) 结合信噪比要求，那么 P CSO SNR 3dB o out,req −≥ + (2-15) 将式代入，得到 i IIP2 P 35.5dB ≥ + (2-16) 同样，IIP2 的要求与接收到的信号功率强弱成线性关系。当 Pi=-80dBm 时，只 要求 IIP2≥-45.5dBm，很容易设计实现；而当 Pi=-20dBm 时，要求 IIP2≥15.5dBm， 此时，对系统 IIP2 的要求达到最大值。 联系到本章第二节的增益分析，当接收到的信号功率较强时，系统的增益较 小；当信号功率较弱时，系统增益较大。因此，在系统设计时，应着重考虑提高 系统在小增益模式工作时线性度，使其能够达到更高的信噪比，从而能够成功处 理更大功率的信号；而在大增益模式下，着重降低系统的噪声系数，使系统能够 实现更好的灵敏度。两者结合，就能够实现更大的动态范围。 2.5 镜像抑制 在混频过程中，如果输出非零中频，就会有镜像干扰问题。以下变频为例， 假设输入信号频率为 fx，本振信号为 fLO，那么输出中频为 fx-fLO。假如在 2fLO-fx 频率处，也存在有某个不需要的信号，那么因为 fLO-(2fLO-fx)=fx-fLO，可见该信号 也会被混频至中频处，形成干扰，如图 2-5 所示。因此，需要在混频前对镜像信 号进行抑制。以有线数字数据传输接口标准(Date-over-Cable Service Interface Specification, DOSCIS)[9]的定义为例，在 256QAM 调制方式下，为保证镜像干 扰对信噪比的恶化小于 0.1dB，镜像抑制比必须达到 59.33dBc