RF 至数字接收器的信号链路噪声分析

引言

信号接收器系统的设计师常常需要进行系统性能的级联链路分析 (从天线一直到 ADC)。在链路分析中，噪声是一个至关重要的参数，因为它限制了接收器的总体灵敏度。一项应用的噪声要求对系统拓扑结构具有重大的影响，原因是拓扑结构的选择力求优化总体信噪比、动态范围和诸多其它参数。噪声计算中的一个问题是需要在链路中各组件 (即：电路的 RF、IF/基带和数字 (ADC) 部分) 所使用的不同噪声单位之间进行转换。

图 1 给出了一个简化的系统示意图。它包括一个 RF 部分、一个 IF/基带部分 (由一个放大器来代表) 和一个 ADC。RF 部分 (包括一个混频器或解调器) 通常采用以分贝标度 (dB)为单位的噪声系数 (NF) 来规定。这也可以利用一个在概念上与 NF 相似的噪声功率频谱密度来规定 (例如：-160dBm/Hz 与一个约 14dB 的 NF 相等)，于是，我们在这里使用 NF。当工作于一个固定阻抗 (50Ω) 环境中的时候，采用 NF 可简化 RF 信号链路的分析。然而，如果“恒定阻抗和正确电源/负载端接”的假设不成立，那么 NF 计算将变得不简单。

图1：具 RF 组件 (混频器、LNA 等)、IF/基带组件 (由一个简单的放大器来代表) 和一个 ADC 的简化信号链路方框图。放大器的输入电阻器充当一个用于 50Ω RF 部分的匹配终端。图中给出了建议使用的产品及其每个部分的规格。

IF/基带组件 (例如：放大器) 一般采用噪声频谱密度来规定，常用单位是每赫兹平方根伏特和安培 (nV/√Hz 和 pA/√Hz)。在低阻抗环境中，电流噪声 (pA/√Hz) 的影响经常可以忽略不计。ADC 噪声主要被规定为以 dB 为单位的信噪比 (SNR)。SNR 是 ADC 的最大输入信号与总累积输入噪声之比。如欲完成一项完整的信号链路分析，设计师必需能够在 NF、噪声密度和 SNR 之间进行转换。

NF 至 SNR：多少 ADC 分辨率？

第一个转换是从 RF 部分至 IF/基带部分。NF 是一种方便的单位，但需要恒定的系统阻抗。由于噪声频谱密度与负载无关，因此从 NF 至 nV/√Hz 的转换是有意义的，这是因为在从 RF 至基带的转换中 (图 1 中的节点 1)，链路将离开 50Ω 固定阻抗环境。在节点 1，由链路的 RF 部分所产生的噪声电压密度可由下式来表示：

式1

式中的 G_RF = RF 组件的级联增益 (单位：dB)

NF_RF = RF 组件的级联 NF (单位：dB)

e_N(50) = 50Ω 阻抗的噪声密度 (在 27℃ 时为 0.91nV_RMS/√Hz)

0.5 = 从负载终端引出的阻性分压器，等于 0.5 (如果 R_T 和 R_S 为 50Ω)。

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