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，它限制了接收器的总体灵敏度。对系统拓扑结构来说更加重要，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RF部分、IF/基带部分(由一个放大器来代表) 和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(如-160dBm/Hz 与一个约 14dB 的 NF 相等)。当工作于一个固定阻抗 (50W)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。

　　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nV/ 和 pA/。在低阻抗环境中，电流噪声 (pA/) 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，设计师必须能够在 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，并且从 RF 至基带的转换中 (图 1 中的节点 1)，链路将离开 50W固定阻抗环境，因此从 NF 至 nV/的转换是有意义的。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：

　　式中的 GRF是RF 组件的级联增益(单位：dB);NFRF为RF组件的级联 NF (单位：dB);eN(50)为50W 阻抗的噪声密度 (在27℃时为 0.91nVRMS/;0.5为从负载终端引出的阻性分压器(当RT和RS为 50W时，该值等于 0.5 )。

　　当采用图 1 所示的 LT5557 时，eN(RF) 的结果是 2.25nV/。IF/基带部分 (包括运算放大器电阻) 的输入参考电压噪声密度可采用运算放大器数据表来计算，并与 RF 部分产生的噪声相加 (由于规定值为 RMS，所以采用平方和加法运算)。把该结果乘以放大器增益 (V/V)得出节点 2 上的总噪声密度 (忽略 ADC 产生的实际噪声)：

　　当采用 LTC6400-26 放大器的规格时，eN2 的结果为 53nV/。最后一步是计算 ADC 上的总 SNR。为此，必须获知节点 2 上的总累积噪声。假设噪声频谱密度是恒定不随频率而变化的，则可简单地将 eN2与总噪声带宽的平方根相乘。该带宽受限于放大器电路和ADC 抗混迭滤波。假设总带宽为 50MHz，在我们所举的例子中，累积噪声为375mVRMS，总 SNR 的理论值可利用下式来计算：

　　式中的 VMAX 为 ADC 的最大正弦波输入，用 VRMS (VP-P·0.35) 来表示。N2是节点 2 上的总累积噪声 (不包括ADC所产生的噪声)，用 VRMS来表示。

　　该 SNR 理论值 (在本例中为 65.5dB) 代表了采用一个理想 ADC 所能获得的最大分辨率。实际 ADC 应具有比该数值高至少5dB 的 SNR，以维持整个链路的性能水平。例如：凌力尔特的 LTC2255 系列(或双通道LTC2285 ADC系列) 等实用的高性能 14 位 ADC 具有72dB~74 dB 的 SNR。

　　SNR 至 NF

　　对于无线电设计师来说，系统设计中一项重点是总噪声系数，因为它会受到链路中所有组件的影响。一旦选定了组件，即可确定接收器的等效输入噪声系数和总灵敏度。假设所关心的信号处于 ADC 的一个奈奎斯特带宽之内，则 ADC 的等效噪声为：

　　式中的 SNRADC是所关心频率条件下的数据表 SNR (单位：dB)，fSAMPLE 是ADC 的采样速率 (单位：Hz)。

　　在我们所举的实例中，eN(ADC) 的结果为 22.5nV/。该电压噪声密度 eN(ADC) 随后可与放大器输出噪声密度 eN2 进行 RMS 求和运算，并将运算结果除以增益 AOPAMP 来获得参考于输入的数值。如欲转换回 NF，则对本文中的第一个公式进行重新整理，得出：

　　该 NFTOTAL 值给出了总输入噪声系数，在本例中，包含上述三个器件整个链路的 NFTOTAL为 12.7dB。

　　结语

　　在进行从 RF 组件至 ADC 的整个系统设计时，噪声规格所采用的单位并非始终相同，会因组件而异。本文探究了不同噪声单位之间的转换问题。无线电设计师可以运用这些信息来设计其系统拓扑结构和选择组件，以实现最佳的灵敏度。