ADC 噪聲系數(shù)如何影響射頻接收器設(shè)計(jì)

本期，為大家?guī)?lái)的是《ADC 噪聲系數(shù)如何影響射頻接收器設(shè)計(jì)》，我們將深入探討如何計(jì)算射頻采樣 ADC 的噪聲系數(shù)，并說(shuō)明 ADC 噪聲系數(shù)對(duì)射頻信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的影響。

引言

為了制造更小的數(shù)字接收器，航天和國(guó)防工業(yè)采用了現(xiàn)代直接射頻 (RF) 采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。這些 ADC 消除了射頻混合級(jí)，并更靠近天線，從而簡(jiǎn)化了數(shù)字接收器設(shè)計(jì)，同時(shí)還節(jié)省了成本和印刷電路板 (PCB) 面積。

一個(gè)關(guān)鍵（經(jīng)常被誤解的）參數(shù)是 ADC 噪聲系數(shù)，該參數(shù)設(shè)置用于檢測(cè)極小信號(hào)的射頻增益量。本文介紹了如何計(jì)算射頻采樣 ADC 的噪聲系數(shù)，并說(shuō)明了 ADC 噪聲系數(shù)對(duì)射頻信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的影響。

為什么噪聲系數(shù)在數(shù)字接收器設(shè)計(jì)中很重要

數(shù)字接收器在兩種不同場(chǎng)景下工作，如圖 1 所示。在阻斷情況下，存在干擾或干擾器，接收器必須以較低的射頻增益運(yùn)行，以免使 ADC 飽和。在此設(shè)置中，ADC 被干擾信號(hào)驅(qū)動(dòng)至接近滿量程；因此，ADC 的大信號(hào)信噪比 (SNR) 決定了可檢測(cè)到的信號(hào)微弱程度。還有其他降級(jí)機(jī)制，例如相位噪聲和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。

在第二種場(chǎng)景中，不存在干擾。檢測(cè)可能的最弱信號(hào)僅取決于接收器的固有本底噪聲，這種情況通常以接收器靈敏度進(jìn)行測(cè)量。噪聲系數(shù)用于測(cè)量由接收器信號(hào)鏈中的元件引起的 SNR 降級(jí)。

圖 1. 阻斷或干擾情況與接收器靈敏度場(chǎng)景的比較

ADC 的噪聲系數(shù)通常是接收器的薄弱環(huán)節(jié)（約為 25dB 至 30dB），而低噪聲放大器 (LNA) 的噪聲系數(shù)低至 <1dB。不過(guò)，可以通過(guò)使用 LNA 向模擬射頻前端（靠近天線）添加增益來(lái)改善 ADC 噪聲系數(shù)。1dB 接收器系統(tǒng)噪聲系數(shù)和 2dB 接收器系統(tǒng)噪聲系數(shù)之間的差異約為 20%。這種差異意味著噪聲系數(shù)為 1dB 的接收器可以檢測(cè)振幅大約弱 20% 的信號(hào)。在軟件定義無(wú)線電 (SDR) 中，這意味著無(wú)線電輸出功率降低，從而延長(zhǎng)電池壽命，而在雷達(dá)中，這使得覆蓋更遠(yuǎn)的距離成為可能。

SDR 或數(shù)字雷達(dá)中的現(xiàn)代接收器設(shè)計(jì)使用直接射頻采樣 ADC 來(lái)減小尺寸、減輕重量并降低功耗。該架構(gòu)無(wú)需射頻下變頻混頻級(jí)，從而簡(jiǎn)化了接收器設(shè)計(jì)。ADC 噪聲系數(shù)越好，所需的增益越低，實(shí)現(xiàn)的節(jié)省越多。此外，使用更少的額外射頻增益意味著當(dāng)存在干擾時(shí)，需要降低的增益更小，并在接收器中保持更高的動(dòng)態(tài)范圍。

計(jì)算系統(tǒng)的噪聲系數(shù)

您可以使用 Friis 公式來(lái)計(jì)算接收器系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。假定一個(gè)具有兩個(gè)放大器和一個(gè) ADC 的簡(jiǎn)化的理想接收器，如圖 2 中所示，方程式 1 按如下方式計(jì)算級(jí)聯(lián)系統(tǒng)噪聲因子：

方程式 1

其中 Fx 是噪聲因子，Gx 是功率增益。

以分貝為單位的系統(tǒng)噪聲系數(shù)為:

方程式 2

圖 2. 典型接收信號(hào)鏈

此處需強(qiáng)調(diào)兩個(gè)要點(diǎn)：系統(tǒng)噪聲系數(shù)主要由第一個(gè)元件的噪聲系數(shù) F1 決定，前提是增益 G1 和 G2 足夠大，以至于 ADC 噪聲系數(shù) F3 可以忽略不計(jì)。

在具有兩個(gè)級(jí)聯(lián) LNA 的系統(tǒng)中比較兩個(gè)分別具有 20dB 與25dB 噪聲系數(shù)的不同 ADC，可以看出系統(tǒng)噪聲系數(shù)有很大差異（請(qǐng)參閱表 1）。

表 1. 具有兩個(gè) LNA 級(jí)的系統(tǒng)噪聲系數(shù)

如表 2 所示，將 ADC2 列中列出的系統(tǒng)（噪聲系數(shù)相差5dB）設(shè)置為低于 2dB 的系統(tǒng)噪聲系數(shù)，將需要使用第三個(gè) LNA（噪聲系數(shù) = 3dB）額外增加 10dB 的增益。

表 2 突出了 ADC 噪聲系數(shù)對(duì)整體系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響。添加第三個(gè) LNA 會(huì)增加成本、電路板面積（匹配元件、布線和電源）和系統(tǒng)功耗，并進(jìn)一步降低滿量程余量。

表 2. 使用 ADC2 且具有三個(gè) LNA 級(jí)的系統(tǒng)噪聲系數(shù)

假設(shè)目標(biāo)接收器靈敏度為 -172dBm，或非常弱的信號(hào)僅比絕對(duì)本底噪聲高 2dB (-174dBm + 2dB = -172dBm)，則該接收器需要優(yōu)于 2dB 的噪聲系數(shù)。在上面的示例中，我們使用 ADC1（噪聲系數(shù)為 20dB，如表 1 中所列），級(jí)聯(lián)系統(tǒng)噪聲系數(shù)為 1.8dB。

如圖 3 和表 3 所示，增益為 12dB 的 LNA1 將輸入信號(hào)和噪聲提高 12dB，而將噪聲系數(shù)降低 1dB（噪聲系數(shù) LNA1= 1dB）。LNA2 將信號(hào)和噪聲提高了 15dB。盡管 LNA2 具有更高的固有噪聲圖 3dB，但由于 LNA1 的增益為 12dB，其影響僅降至 0.2dB。

最后，ADC1 的噪聲分量（噪聲系數(shù) = 20dB）減少至僅 0.6dB，因?yàn)樗鼤?huì)被兩個(gè) LNA 的 27dB 增益降低。因此，您最終會(huì)得到 1.8dB 的系統(tǒng)噪聲系數(shù)，從而留下大約 0.2dB 的余量來(lái)檢測(cè)微弱的輸入信號(hào)。

圖 3. 接收信號(hào)鏈中各個(gè)噪聲系數(shù)貢獻(xiàn)的圖示

表 3. 計(jì)算各個(gè)噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)

高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器很少在器件特定數(shù)據(jù)表中列出噪聲系數(shù)。可以使用方程式 3 根據(jù) ADC32RF54 射頻采樣 ADC 的常用數(shù)據(jù)表參數(shù)（請(qǐng)參閱表 4）計(jì)算 ADC 的噪聲系數(shù)。

表 4. ADC32RF54 的數(shù)據(jù)表參數(shù)

ADC Noise figure (d_B) = P_SIG,d_Bm + 174 d_Bm – SNR (dBFS) – bandwidth (Hz)

方程式 3

對(duì)于 ADC32RF54，噪聲系數(shù)計(jì)算結(jié)果為:

噪聲系數(shù)（1 倍 AVG）= 20.3dB

10log[(1.1/2/sqrt(2))²/100 x 1000] + 174 - 64.4 -10log[2.6e9/2]

噪聲系數(shù)（2 倍 AVG）= 19.3dB

10log[(1.35/2/sqrt(2))²/100 x 1000] + 174 - 67.1 -10log[2.6e9/2]

結(jié)論

接收器噪聲系數(shù)是一個(gè)重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了最弱可檢測(cè)信號(hào)。除了非常低的固有噪聲系數(shù)外，ADC32RF54 還提供了高 SNR，即使在輸入功率信號(hào)較大的情況下，也能讓系統(tǒng)保持其噪聲系數(shù)。具有相同噪聲系數(shù)但 SNR 更低的 ADC 需要降低輸入增益，以防止飽和，在這種情況下，ADC 噪聲系數(shù)開(kāi)始增加總體噪聲。