作者：Jack Browne

動(dòng)態(tài)范圍是電子系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，但在試圖設(shè)計(jì)一個(gè)具有極優(yōu)性能的系統(tǒng)時(shí)，它經(jīng)常是一個(gè)難以在元件級(jí)比較的參數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)經(jīng)常被三階截取點(diǎn)（TOi）這樣一個(gè)概念化參數(shù)定義在上限值。為了充分理解系統(tǒng)中接收器或射頻/微波元件的動(dòng)態(tài)范圍極限，首先需要理解組成動(dòng)態(tài)范圍的各個(gè)要素。

動(dòng)態(tài)范圍一般用分貝（dB）表示，是一個(gè)電路、元件或系統(tǒng)可以處理的最大信號(hào)電平（相對(duì)于1mW功率的dBm值）與可以處理的最小信號(hào)電平（單位dBm）的比值。有多種參數(shù)可以用來定義最高電平信號(hào)（如1dB壓縮點(diǎn)和TOi點(diǎn)），例如放大器的1dB壓縮點(diǎn)是指元件線性性能開始下降的地方。在線性條件下，輸入功率每增加1dB，輸出功率也將增加1dB。當(dāng)輸出增加幅度比輸入增加幅度小1dB時(shí)，就到了放大器的1dB壓縮點(diǎn)。

同樣，表征混頻器的動(dòng)態(tài)范圍通常是指一端為1dB壓縮點(diǎn)、另一端為混頻器噪聲系數(shù)。對(duì)于無源混頻器來說，熱噪聲或噪聲系數(shù)基本上是相等的，因此混頻器的動(dòng)態(tài)范圍通常取決于1dB壓縮點(diǎn)。當(dāng)超過這個(gè)電平時(shí)，混頻器會(huì)產(chǎn)生不可接受的互調(diào)失真電平，進(jìn)而干擾低電平信號(hào)。

通用的使用經(jīng)驗(yàn)表明，無源射頻混頻器1dB壓縮點(diǎn)發(fā)生處的信號(hào)幅度比混頻器使用的本地振蕩器（LO）功率低約5至10dB。許多無源射頻混頻器供應(yīng)商根據(jù)工作所要求的LO功率大小將他們的產(chǎn)品貼上不同的工作電平標(biāo)簽，如低電平、中等電平或高電平混頻器。整個(gè)行業(yè)內(nèi)對(duì)低電平或高電平混頻器的定義可能有所不同，但大約+7dBm的LO電平一般都定義為低電平混頻器，而+10dBm和+14dBm的LO電平通常分別被定義為中電平和高電平混頻器。

例如，混頻器供應(yīng)商Mini-Circuits公司所提供混頻器的LO電平就覆蓋了從+3dBm到+17dBm的范圍。一般來說，根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)，具有較高LO驅(qū)動(dòng)電平的混頻器將產(chǎn)生較高的1dB壓縮點(diǎn)，因而具有較高的接收器動(dòng)態(tài)范圍。

當(dāng)用截取點(diǎn)指標(biāo)來比較混頻器時(shí)，對(duì)用于比較的輸入或輸出截取點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化非常重要。不管是哪種情況，高截取點(diǎn)代表混頻器可以提供大的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)樗诋a(chǎn)生干擾有用信號(hào)的互調(diào)失真之前可以處理更高的信號(hào)電平。

1dB壓縮點(diǎn)是一個(gè)實(shí)際的工作點(diǎn)，而接收器、混頻器或放大器的TOi則是一個(gè)純數(shù)學(xué)概念，它將泰勒級(jí)數(shù)展開式的三階非線性項(xiàng)的非線性乘積關(guān)聯(lián)到混頻器或放大器等元件的線性輸出信號(hào)。雖然TOi是一個(gè)更加有用的參數(shù)，因?yàn)樗昧寺湓诟信d趣的基頻信號(hào)附近的阻塞或干擾信號(hào)，但在某些情況下，元件的線性度也可能被定義為二階截取點(diǎn)，這時(shí)使用的是泰勒級(jí)數(shù)展開式的二階項(xiàng)。由于干擾信號(hào)非常靠近有用信號(hào)，因此很難甚至不可能在不衰減有用信號(hào)的條件下通過濾波來去除干擾信號(hào)。

使用單音測(cè)試信號(hào)（見圖）時(shí)截取點(diǎn)可以被認(rèn)為是諧波的一個(gè)函數(shù)，或者在使用雙音測(cè)試信號(hào)時(shí)由互調(diào)產(chǎn)物決定截取點(diǎn)。諧波電平的測(cè)量值單位是dBc，或者低于有用載頻信號(hào)的諧波分貝電平，而互調(diào)失真通常用相對(duì)于1mW功率（dBm）的dB值表示。需要著重指出的是，兩類截取點(diǎn)的電平是不同的，因此在比較不同元件、設(shè)備或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)應(yīng)該使用相同類型的截取點(diǎn)。

圖：這是根據(jù)諧波輸入信號(hào)的三階電平畫出的TOi曲線。

在接收器中，動(dòng)態(tài)范圍從高電平端的TOi點(diǎn)延伸到低電平端的靈敏度。TOi是信號(hào)飽和與失真效應(yīng)的結(jié)果，而影響靈敏度的因素包括工作環(huán)境的熱噪聲和接收器的噪聲系數(shù)、雜散電平、諧波和相位噪聲。接收器的動(dòng)態(tài)范圍很大程度上取決于系統(tǒng)中的混頻器和放大器，但也受信號(hào)鏈中有源和無源濾波器的限制。

位于接收器前端的自動(dòng)增益控制（AGC）電路對(duì)于避免信號(hào)飽和與雜散信號(hào)產(chǎn)生很有用。在與帶顯示屏的測(cè)量接收機(jī)（如頻譜分析儀）相似的測(cè)試設(shè)備中，顯示的平均噪聲電平（DANL）一般用于代表動(dòng)態(tài)范圍的底端。

靈敏度有時(shí)容易令人誤解。例如，當(dāng)存在大信號(hào)時(shí)接收器靈敏度可能受到不良影響。在比較接收器時(shí)，當(dāng)附近有高電平信號(hào)的情況下，具有高靈敏度的接收器對(duì)低電平信號(hào)的處理性能可能沒有靈敏度低的接收器好。一般情況下，在做這種比較時(shí)必須參考動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)，因?yàn)殪`敏度低但動(dòng)態(tài)范圍大的接收機(jī)在處理沒有受到互調(diào)失真影響的低電平信號(hào)時(shí)要比靈敏度高但動(dòng)態(tài)范圍小的接收機(jī)效果好。

在靈敏度方面，接收器有時(shí)使用一種被稱為最小可辨別信號(hào)（MDS）的品質(zhì)因數(shù)，這是一個(gè)等于噪聲電平的信號(hào)電平，通常用dBm表示。因?yàn)樵肼曤娖饺Q于接收器或頻譜分析儀的分析帶寬，因此在通過MDS值進(jìn)行比較時(shí)應(yīng)對(duì)分析帶寬作歸一化處理。

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