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转:RF 至数字接收器的信号链路噪声分析  

2009-03-17 10:11:32|  分类: IC design |  标签: |举报 |字号 订阅

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http://www.analog.eetchina.com/ARTP_8800537184_2600002.HTM

 

作者: Cheng-Wei Pei

凌力尔特公司

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。

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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:

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式1

式中的 GRF = RF 组件的级联增益 (单位:dB)

NFRF = RF 组件的级联 NF (单位:dB)

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

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

 

当采用图1 所示的 LT5557 时,eN(RF) 的结果是 2.25nV/√Hz。IF/基带部分 (包括运算放大器电阻器) 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)将得出节点 2 上的总噪声密度 (忽略 ADC 产生的实际噪声):

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式2

当采用 LTC6400-26 放大器的规格时,eN2 的结果为 53nV/√Hz。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的(不随频率而变化),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任何的 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 N2 = 375μVRMS。总 SNR 的理论值可利用下式来计算:

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式3

式中的 VMAX = 至 ADC 的最大正弦波输入,用 VRMS (VP-P×0.35) 来表示

N2 = 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 应具有至少比该数值高 5dB 的 SNR,以维持整个链路的性能水平。例如:像凌力尔特的 LTC2255 系列 (或双通道LTC2285 ADC系列) 等实用的高性能 14 位 ADC 将具有一个 72dB 至 74 dB 的 SNR。

SNR 至 NF

对于无线电设计师来说,系统设计中一项重要的考虑是总噪声系数 (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(一个奈奎斯特带宽为 f/2)之内,则 ADC 的等效噪声为:

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式4

式中的 SNRADC = 所关心频率条件下的数据表 SNR (单位:dB)

fSAMPLE = 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/√Hz (假设采样速率为 125MHz)。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:

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式5

该 NFTOTAL 值给出了总输入噪声系数 (包括 RF 部分、放大器和 ADC 所产生的噪声)。在本例中,包含上述三个器件整个链路的 NFTOTAL 为 12.7dB。

结论

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。

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此文章源自《电子工程专辑》网站:

http://www.analog.eetchina.com/ART_8800537184_2600002_TA_17bef530.HTM

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