CN100336307C - 接收机射频系统电路内部噪声的分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接收机射频系统电路内部噪声的分配方法，该分配方法解决了在只给定系统总体噪声指标下进行射频系统各级子电路噪声参数的分配，包括下列分配步骤：(A)根据射频系统总体指标得到其输出的噪声谱密度值N′_L；(B)将天线输入噪声值N_o进行有噪线性电路输入输出噪声功率谱分布得到第一级的输出噪声功率谱密度N₁和第一级子电路的等效噪声温度T_e#-[1]的约束关系为N₁=(N₀+KT_e#-[1])G₁；由第一级的输出噪声功率谱密度N₁作为第二级的输入噪声功率谱密度，根据有噪线性电路输入输出噪声功率谱分布得到第二级的输出噪声功率谱密度N₂和等效噪声温度T_e2的约束关系N₂=(N₁+KT_e#-[2])G₂；(C)经(B)步骤依次对射频系统内各级子电路进行迭代得到射频系统总噪声分布N_L={[(N_o+…+KT_eL-1)G_L-1]+KT_eL}G_L，且N_L小于等于N^′ _L，从而得到各级子电路的噪声参数T_e#-[1]，T_e#-[2]...T_e#-[L]。

Description

接收机射频系统电路内部噪声的分配方法

技术领域

本发明涉及一种对接收机射频系统电路内部噪声的分配方法，具体地说，是指一种对未给定射频系统内部各子模块噪声参数的前提下应用射频系统总体指标进行分解各子模块噪声参数的分配方法。

背景技术

一般接收机由天线、射频系统和中频及基带解调系统构成，其中，射频系统包括低噪放、混频器和中放。接收机的噪声主要是在射频系统中产生，但系统给出的总体参数往往只局限于射频系统各级的频点、带宽、增益等数值，而未包含各个模块的噪声参数。作为接收机的数字通信系统要求知道较为精确的噪声特性从而判断代表系统质量的误码率特性。因此，需要根据接收机整体系统给定的有限的指标去估计出比较合理的射频系统中各个电路模块的噪声特性参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种接收机射频系统电路噪声功率谱的分配方法，该分配方法解决了在只给定系统总体噪声指标下进行射频系统各级子电路噪声参数的分配。

本发明的一种接收机射频系统电路内部噪声的分配方法，包括下列分配步骤：

(A)根据射频系统总体指标得到其输出的噪声谱密度值N_L′；

(B)将天线输入噪声值N_o进行有噪线性电路输入输出噪声功率谱分布得到第一级的输出噪声功率谱密度N₁和第一级子电路的等效噪声温度T_e1的约束关系为 $N_1=(N_0+{\mathrm{KT}}_{e_1})G_1,$ T_e1表示第一级子电路的等效噪声温度，G₁表示第一级子电路的增益；

所述有噪线性电路输入输出噪声功率谱分布依据为：

$N_i=(N_{i-1}+{\mathrm{KT}}_{e_i})G_i(i=\mathrm{1,2}...L;)$

式中，N_i表示第i级子电路的输出噪声谱密度，T_ei表示第i级子电路的等效噪声温度，等效噪声温度T_ei与噪声系数NF之间的关系为NF-1＝T_e/T_o，且T_o为室温290K，G_i表示第i级子电路的增益，L表示射频系统子电路的级数，K表示玻尔兹曼常数；

由第一级的输出噪声功率谱密度N₁作为第二级的输入噪声功率谱密度，根据有噪线性电路输入输出噪声功率谱分布得到第二级的输出噪声功率谱密度N₂和等效噪声温度T_e2的约束关系 $N_2=(N_1+{\mathrm{KT}}_{e_2})G_2,$ T_e2表示第二级子电路的等效噪声温度，G₂表示第二级子电路的增益；

(C)经(B)步骤依次对射频系统内各级子电路进行迭代得到射频系统总噪声分布 $N_L=\left\{\right[(N_0+...+{\mathrm{KT}}_{e_{L-1}})G_{L-1}]+{\mathrm{KT}}_{e_L}\}{G}_L,$ 且N_L小于等于N_L′，从而得到各级子电路的噪声参数T_e1，T_e2...T_eL。

所述的接收机射频系统电路内部噪声的分配方法，其天线输入噪声值N_o是射频系统总输入噪声值。

所述的接收机射频系统电路内部噪声的分配方法，其等效噪声温度是系统各级子电路可获得的噪声指标。

所述的接收机射频系统电路内部噪声的分配方法，其射频接收机系统中的混频器从信号幅度角度而言是线性器件。

本发明的优点：(1)弥补了射频系统设计时噪声参数分配不精确造成的系统总体噪声指标不合格从而导致系统其它性能下降的问题，如射频系统输出信噪比降低、基带误码率增大、信号质量下降等，解决了射频系统在设计时各级子电路噪声参数的分配；(2)各级子电路噪声功率谱密度进行逐级迭代分配，比传统方式分配的噪声参数精度更高；(3)射频系统中各级子电路的噪声特性参数分配合理，从而使射频系统总体噪声特性满足指标要求，因此系统其他性能得到保证。

具体实施方式

本发明是一种接收机射频系统电路内部噪声的分配方法，包括下列分配步骤：

(A)根据射频系统总体指标得到其输出的噪声谱密度值N_L′；

(B)将天线输入噪声值N_o进行有噪线性电路输入输出噪声功率谱分布得到第一级的输出噪声功率谱密度N₁和第一级子电路的等效噪声温度T_e1的约束关系为 $N_1=(N_0+{\mathrm{KT}}_{e_1})G_1,$ T_e1表示第一级子电路的等效噪声温度，G₁表示第一级子电路的增益；

由第一级的输出噪声功率谱密度N₁作为第二级的输入噪声功率谱密度，根据有噪线性电路输入输出噪声功率谱分布得到第二级的输出噪声功率谱密度N₂和等效噪声温度T_e2的约束关系 $N_2=(N_1+{\mathrm{KT}}_{e_2})G_2,$ T_e2表示第二级子电路的等效噪声温度，G₂表示第二级子电路的增益；

(C)经(B)步骤依次对射频系统内各级子电路进行迭代得到射频系统总噪声分布 $N_L=\left\{\right[(N_0+...+{\mathrm{KT}}_{e_{L-1}})G_{L-1}]+{\mathrm{KT}}_{e_L}\}{G}_L,$ 且N_L小于等于N_L′，从而得到各级子电路的噪声参数T_e1，T_e2，...T_eL。

在本发明中，有噪线性电路输入输出噪声功率谱分布依据为： $N_i=(N_{i-1}+{\mathrm{KT}}_{e_i})G_i(i=\mathrm{1,2}...L;)$ 式中，N_i表示第i级子电路的输出噪声谱密度，T_ei表示第i级子电路的等效噪声温度，等效噪声温度与噪声系数之间的关系为NF-1＝T_e/T_o，且T_o为室温290K，G_i表示第i级子电路的增益，L表示射频系统子电路的级数，K表示玻尔兹曼常数。

下面对噪声通过有噪线性电路的分布进行说明。

一般接收机的噪声由射频系统产生，射频系统按信号流程通常有低噪声噪放器、混频器、中频放大器组成，由天线输入的噪声经低噪放、混频器、中放后，其噪声谱密度值依次增大。从随机过程的角度而言，根据维纳-欣钦定理可得到接收机系统输出的噪声功率谱密度为

            N_o′(ω)＝K²(ω)N_o(ω)                        (1)

式(1)中N_o(ω)为天线输入的噪声功率谱密度，N_o′(ω)为射频系统输出的噪声功率谱密度，K(ω)为电路的幅频特性，K²(ω)为功率增益特性。在系统工作带宽B内，如果噪声功率谱K²(ω)及幅频特性K(ω)均为恒定值，则有

            N_o′＝GN_o                                     (2)

式(2)中G为电路的增益。

从电子系统内部噪声分析的角度而言，系统内部的噪声对射频系统输出噪声功率谱N_o′(ω)也有较大的影响，电阻R在带宽B上的热噪声电动势的均方值为

$v_{\mathrm{rms}}^2=4\mathrm{kTRB}---\left(3\right)$

式中v_rms为噪声电压的有效值。

噪声通过有噪线性电路后噪声功率谱的计算是一个结合随机过程信号处理和电子系统噪声分析的过程。为了进行系统内噪声功率谱的计算下面给出有噪线性电路输出噪声功率谱的分布过程。

接收机前端的放大器一般输入信号很弱，通常认为是线性的。接收机输入噪声为源电阻(工业信号检测系统的纯电抗源的传感器除外)产生的高斯白噪声。如果接收机前端的源电阻与接收机第一级(前置放大器)的输入电阻相匹配，则由式(3)得到放大器得到的最大资用噪声功率为

$P_{\mathrm{avl}}=\frac{v_{\mathrm{rms}}^2}{4R}=\mathrm{kTB}---\left(4\right)$

如果假定放大器的输入阻抗匹配到非电抗性天线电路的输出阻抗，则对于前端放大器内部的噪声，可用一个前置电阻的热噪声来等效。设等效噪声温度为T_e，则由(4)式得到等效的输入噪声功率为

                P_e＝kT_eB                                     (5)

又高斯白噪声在带宽B上的噪声功率可写为 $2B\left(\frac{N_o}{2}\right)={\mathrm{BN}}_o,\frac{N_o}{2}$ 为高斯白噪声的双边功率谱密度。

根据上述分析及功率关系可得出：射频系统输出噪声谱密度N_o′与天线输入噪声谱密度N_o以及内部噪声(T_e)之间的关系满足

                N_o′B＝(N_oB+kT_eB)G                          (6)

从而得到

                N_o′＝(N_o+kT_e)G                             (7)

对比(2)式与(7)式可见，有噪线性系统输出噪声功率谱为天线输入功率谱和射频系统噪声共同贡献而来。(7)式给出了有噪线性电路输出噪声功率谱的严格解。通常，在射频接收机的末端，输入的噪声谱值N_o较kT_e值大几个数量级，因此，输出的噪声功率谱值就可近似为输入噪声谱值的线性放大。这与噪声系数理论中“级连电路的总噪声系数关键取决于前几级”相吻合，且天线输入噪声值N_o是射频系统总输入噪声值。

噪声谱计算在直接序列扩频抗干扰通信电台系统中的应用。

在此系统中，要求射频输出信噪比(S/N)_out≥9.5dB。根据Q函数与误差函数的关系 $Q\left(x\right)=\frac{1}{2}(1-\mathrm{erf}\left(\frac{x}{\sqrt{2}}\right))$ 得到误码率为

$P_e=Q\left(\sqrt{{\left(\frac{S}{N}\right)}_{\mathrm{out}}}\right)=\frac{1}{2}(1-\mathrm{erf}(\sqrt{{\left(\frac{S}{N}\right)}_{\mathrm{out}}}/\sqrt{2}))---\left(8\right)$

当(S/N)_out＝9.5dB时，P_e＝0.001。

又扩频通信的输出信噪比

${\left(\frac{S}{N}\right)}_{\mathrm{out}}=\frac{2\mathrm{PT}}{N_o}---\left(9\right)$

即要求 $\frac{2\mathrm{PT}}{{N_L}^{\′}}\≥9.5\mathrm{dB},$ P为中频解调处的有用信号功率，T为信息数据脉码宽度，N_L′为射频输出即中频处的噪声功率谱密度。根据系统给定的接收灵敏度和前端射频电路总增益可得到中频解调有用信号功率P＝0.462dBm，系统参数已知信息数据脉码宽度T＝31.25μS，则可推得最严格的中频噪声谱密度需满足

                N_L′＝-51.58dBm

即中频处的噪声谱密度需满足小于等于-51.58dBm。

在此电台接收机射频部分中对噪声产生影响的器件按顺序有六个：前端低噪放、补偿放大器、一混频器、一中放、二混频器、二中放。

前端天线输入的噪声经这些器件作用后，噪声谱密度值增大。天线输入的噪声功率谱密度为：

     N_o＝KT_o＝1.38×10^-23×290＝4.002×10^-21w/Hz＝-173.977dBm

            表1  常用放大器的增益及噪声参数

器件	Gain/dB	Te/K	NF/dB
				通用晶体管低噪声放大器通用中频放大器(芯片)	1050	4001150	3.87.0

参照表1对前端低噪放进行参数设定：G₁＝10dB，NF₁＝3.8dB

根据噪声系数NF与等效噪声温度T_e之间的关系式

        NF-1＝T_e/T_o  (T_o为室温290K)              (10)

得到低噪放的等效噪声温度为：

$T_{e_1}=T_o({\mathrm{NF}}_1-1)=405.7K$

所以由式(7)得到低噪放输出端的噪声谱密度为

$N_1=(N_o+{\mathrm{kT}}_{e_1})G_1$

$=(4.002\×{10}^{-21}+1.38\×{10}^{-23}\×405.7)\×10$

$=9.602\×{10}^{-20}w/\mathrm{Hz}=-160.176\mathrm{dBm}$

为了产生较高的信号电平，在低噪放之后接高噪声高增益的补偿放大器。前端低噪放输出的噪声作为下一级电路的噪声输入，等效噪声温度是系统各级子电路可获得的噪声指标。设定

                 G₂＝15dB，NF₂＝4.5dB

中频放大两级级联，各放大40dB。根据表1设定中频放大器增益为40dB，噪声系数为7.0dB。

这样，射频增益为25dB，中频增益为80dB，满足系统增益指标。且因为设定输入信号为灵敏度值-110dBm，所以可以认为各放大器处于小信号即线性工作状态。

对于非线性元件混频器，我们把其与噪声特性相关的非线性定义为对射频输入幅度的压缩效应，而不是指与本振相关的频率变化的非线性。所以，从信号幅度角度而言，混频器仍可认为是线性器件。混频器转换增益为5dB，噪声系数为4dB。根据上面的分析方法得出的各元件的噪声系数及各级子电路输出端的噪声谱密度见表2。

表2 射频接收机各级子电路的噪声系数及输出噪声功率谱密度

元件	NF/dB	No/dBm
			前端LNAAMP1MIXER1AMP2MIXER2AMP3	0.03.84.54.07.04.07.0	-173.989-160.175-144.868-141.344-101.335-92.344-52.503

根据计算结果得到的中频处的噪声功率谱密度为N_L＝-52.503dBm≤N_L′＝-51.58dBm，满足指标要求。即：在上述射频系统模型作用下，中频处产生的等效噪声功率为-52.503dBm，能保证在接收信号最弱时仍能正常解调话音信号。

采用仿真进行结果验证。

按照前面所述的电台通信系统从基带到射频的收发链路并进行高斯白噪声信道下的误码率仿真分析。采用Monte Carlo统计分析，取100000个采样点。从仿真结果可以看到，误码率为0.00034，即100000个采样点里有34个点产生误码。

在接收信号为灵敏度值，中频处噪声谱密度为-52.503dBm的条件下，系统输出的信噪比为(S/N)_out＝10.9238。根据式(8)计算得到P_e＝0.00047468，即理论计算结果为100000个点有近似47个点有误码。误码率仿真值与理论值之间的误差为0.013％。

在本发明中，解决了如何在未给定射频系统各级子电路内部噪声参数而只给定系统总体噪声指标的前提下分配出合理的各级子电路噪声参数，提出了一种在有限的系统参数下进行射频接收机各子电路噪声参数的分配方法。对信道中的加性高斯白噪声通过有噪线性电路后的功率谱计算进行了详细的分析，并把这种等效计算的方法应用在一电台通信射频接收机中。在有限的系统参数(信噪比，灵敏度，增益等)下分析出了各子电路合理的噪声系数，并通过基带的误码率得到了验证。理论值和仿真结果较好吻合，说明了本发明分配方法的有效性。这种方法对于系统有限参数前提下的各级子电路合理建模给出了很好的理论依据，不论对于射频系统设计前期的原理设计还是对系统后期验证及性能分析均有很好的指导作用。

Claims (4)

1、一种接收机射频系统电路内部噪声的分配方法，其特征在于：

(A)根据射频系统总体指标得到其输出的噪声谱密度值N_L′；

(B)将天线输入噪声值N₀进行有噪线性电路输入输出噪声功率谱分布得到第一级的输出噪声功率谱密度N₁和第一级子电路的等效噪声温度T_e1的约束关系为 $N_1=(N_0+{\mathrm{KT}}_{e_1})G_1,$ T_e1表示第一级子电路的等效噪声温度，G₁表示第一级子电路的增益；

所述有噪线性电路输入输出噪声功率谱分布依据为： $N_i=(N_{i-1}+{\mathrm{KT}}_{e_i})G_i$ (i＝1，2...L；)式中，N_i表示第i级子电路的输出噪声谱密度，

T_ei表示第i级子电路的等效噪声温度，等效噪声温度T_ei与噪声系数NF之间的关系为NF-1＝T_e/T_o，且T_o为室温29OK，

G_i表示第i级子电路的增益，

L表示射频系统子电路的级数，

K表示玻尔兹曼常数；

由第一级的输出噪声功率谱密度N₁作为第二级的输入噪声功率谱密度，根据有噪线性电路输入输出噪声功率谱分布得到第二级的输出噪声功率谱密度N₂和等效噪声温度T_e2的约束关系 $N_2=(N_1+{\mathrm{KT}}_{e_2})G_2,$ T_e2表示第二级子电路的等效噪声温度，G₂表示第二级子电路的增益；

(C)经(B)步骤依次对射频系统内各级子电路进行迭代得到射频系统总噪声分布 $N_L=\left\{\right[(N_o+...+{\mathrm{KT}}_{e_{L-1}})G_{L-1}]+{\mathrm{KT}}_{e_L}\}{G}_L,$ 且N_L小于等于N_L′，从而得到各级子电路的噪声参数T_e1，T_e2...T_eL。

2、根据权利要求1所述的接收机射频系统电路内部噪声的分配方法，其特征在于：天线输入噪声值N_o是射频系统总输入噪声值。

3、根据权利要求1所述的接收机射频系统电路内部噪声的分配方法，其特征在于：等效噪声温度是系统各级子电路可获得的噪声指标。

4、根据权利要求1所述的接收机射频系统电路内部噪声的分配方法，其特征在于：射频接收机系统中的混频器从信号幅度角度而言是线性器件。