ADC噪声系数对射频接收器的影响
ADC噪声系数对射频接收器的影响
在射频接收器设计中，ADC（模数转换器）的噪声系数是一个关键参数，它直接影响系统对微弱信号的检测能力。本文将深入探讨ADC噪声系数的计算方法及其对射频信号链设计的影响，帮助工程师优化接收器性能。
在数字接收器设计中，噪声系数是一个至关重要的参数，特别是在两种不同场景下：
阻断场景：存在干扰或干扰器时，接收器必须以较低的射频增益运行，以免使ADC饱和。此时，ADC的大信号信噪比（SNR）决定了可检测到的信号微弱程度。
无干扰场景：检测可能的最弱信号仅取决于接收器的固有本底噪声，这种情况通常以接收器灵敏度进行测量。
图 1. 阻断或干扰情况与接收器灵敏度场景的比较
ADC的噪声系数通常是接收器的薄弱环节（约为25dB至30dB），而低噪声放大器（LNA）的噪声系数低至<1dB。不过，可以通过使用LNA向模拟射频前端（靠近天线）添加增益来改善ADC噪声系数。1dB接收器系统噪声系数和2dB接收器系统噪声系数之间的差异约为20%。这种差异意味着噪声系数为1dB的接收器可以检测振幅大约弱20%的信号。
计算系统的噪声系数
可以使用Friis公式来计算接收器系统的噪声系数。假定一个具有两个放大器和一个ADC的简化的理想接收器，如图2中所示，方程式1按如下方式计算级联系统噪声因子：
方程式 1
其中Fx是噪声因子，Gx是功率增益。
以分贝为单位的系统噪声系数为：
方程式 2
图 2. 典型接收信号链
此处需强调两个要点：系统噪声系数主要由第一个元件的噪声系数F1决定，前提是增益G1和G2足够大，以至于ADC噪声系数F3可以忽略不计。
在具有两个级联LNA的系统中比较两个分别具有20dB与25dB噪声系数的不同ADC，可以看出系统噪声系数有很大差异（请参阅表1）。
表 1. 具有两个LNA级的系统噪声系数
如表2所示，将ADC2列中列出的系统（噪声系数相差5dB）设置为低于2dB的系统噪声系数，将需要使用第三个LNA（噪声系数=3dB）额外增加10dB的增益。
表 2. 使用ADC2且具有三个LNA级的系统噪声系数
假设目标接收器灵敏度为-172dBm，或非常弱的信号仅比绝对本底噪声高2dB（-174dBm+2dB=-172dBm），则该接收器需要优于2dB的噪声系数。在上面的示例中，我们使用ADC1（噪声系数为20dB，如表1中所列），级联系统噪声系数为1.8dB。
如图3和表3所示，增益为12dB的LNA1将输入信号和噪声提高12dB，而将噪声系数降低1dB（噪声系数LNA1=1dB）。LNA2将信号和噪声提高了15dB。尽管LNA2具有更高的固有噪声图3dB，但由于LNA1的增益为12dB，其影响仅降至0.2dB。
最后，ADC1的噪声分量（噪声系数=20dB）减少至仅0.6dB，因为它会被两个LNA的27dB增益降低。因此，您最终会得到1.8dB的系统噪声系数，从而留下大约0.2dB的余量来检测微弱的输入信号。
图 3. 接收信号链中各个噪声系数贡献的图示
表 3. 计算各个噪声系数的贡献
高速数据转换器很少在器件特定数据表中列出噪声系数。可以使用方程式3根据ADC32RF54射频采样ADC的常用数据表参数（请参阅表4）计算ADC的噪声系数。
表 4. ADC32RF54的数据表参数
ADC Noise figure (dB) = PSIG,dBm + 174 dBm – SNR (dBFS) – bandwidth (Hz)
方程式 3
对于ADC32RF54，噪声系数计算结果为：
噪声系数（1倍AVG）= 20.3dB
10log[(1.1/2/sqrt(2))2/100 x 1000] + 174 - 64.4 -10log[2.6e9/2]
噪声系数（2倍AVG）= 19.3dB
10log[(1.35/2/sqrt(2))2/100 x 1000] + 174 - 67.1 -10log[2.6e9/2]
结论
接收器噪声系数是一个重要的系统设计参数，因为它决定了最弱可检测信号。除了非常低的固有噪声系数外，ADC32RF54还提供了高SNR，即使在输入功率信号较大的情况下，也能让系统保持其噪声系数。具有相同噪声系数但SNR更低的ADC需要降低输入增益，以防止饱和，在这种情况下，ADC噪声系数开始增加总体噪声。