现代无线电接收机的系统噪声系数分析一：级联接收机的计算

注意，在表5中，我们将这一结果与Excel®电子表格利用弗林斯公式计算的级联噪声系数进行比较。

表5. 弗林斯级联公式计算结果

器件	F (dB)	Gain (dB)	CGAIN (dB)	CNF (dB)
BPF滤波器	0.01	-0.01	-0.01	0.01
LNA	3	10	9.99	3.01
分配器	3.01	-3.01	6.98	3.22
混频器	4	5.979	12.96	3.81
LPF1	0.01	-0.01	12.95	3.81
VGA	25	9.995	22.94	12.65
LPF2	0.01	-0.01	22.93	12.65

 

显而易见，级联噪声系数的有些地方发生了错误。我们采用电子表格的估算结果是12.64dB，但仿真器结果为10.16dB。级联增益匹配比较合理，但我们需要验证哪个噪声系数是有效的。首先，由于整个ZIF电路将使用两个边带中的信号并承受两个边带中的噪声，所以我们关心整个电路中的双边带噪声系数。因此，涉及到获得级联的双边带噪声系数，包括放大器、随后的混频器、之后的附加放大器(图11)。

图11. 包括混频器的级联。

输出的总噪声密度可计算如下：

N_OUT=2kT₀G₁G₂G₃+2N_A1G₂G₃+N_A2G₃+N_A3

由于级联输入处的热噪声引起的输出噪声为：

N_OT=2kT₀G₁G₂G₃.

这意味着总噪声因子为：

设：

得到：

以上推导表明，级联公式中有必要使用混频器的DSB噪声系数；代入计算级联噪声系数的一般形式弗林斯公式，随后所有级的噪声分布必须除以2。如果后者不除以2，表5中所示的电子表格分析结果是错误的。在电子表格中修改公式，将混频器之后的单元除以2，得到的结果如表6所示。

表6. DSB级联公式的结果

器件	F (dB)	Gain (dB)	CGAIN (dB)	CNF (dB)
BPF滤波器	0.01	-0.01	-0.01	0.01
LNA	3	10	9.99	3.01
分配器	3.01	-3.01	6.98	3.22
混频器	4	5.979	12.96	3.81
LPF1	0.01	-0.01	12.95	3.81
VGA	25	9.995	22.94	10.17
LPF2	0.01	-0.01	22.93	10.17

现在，表6和表4非常一致。然而，这也说明了在涉及到混频器时直接带入弗林斯级联公式计算是不合理的。

现在，我们考虑相同的情况，但预期信号比LO高300kHz。方框图仍然同图10所示，但全部信号位于LO的高边，这就使其成为相同接收机架构的低中频(LIF)应用。与之前一样，采用相同的Genesys仿真配置，结果如表7所示。

表7. LIF接收机仿真结果

器件	CF (MHz)	CP (dBm)	CNP (dBm)	GAIN (dB)	SNF (dB)	CGAIN (dB)	CNF (dB)
MultiSource_1	950.3	-79.999	-116.194	0	0	0	0
FE_BPF	950.3	-80.009	-116.194	-9.99E-03	1.00E-02	-9.99E-03	9.99E-03
Lin_1	950.3	-70.008	-103.194	10	3	9.99	3.01
Split2_1	950.3	-73.018	-105.992	-3.01	3.01	6.98	3.222
BasicMixer_1	0.3	-67.067	-96.335	5.938	4	12.918	6.94
LPF1	0.3	-68.467	-96.458	-1.64E-03	1.00E-02	12.916	6.819
Lin_2	0.3	-58.832	-80.068	9.969	25	22.885	13.241
LPF2	0.3	-58.483	-80.072	-4.68E-03	1.00E-02	22.88	13.241

除噪声系数增加了3dB之外，结果与之前相同架构的仿真结果相似。实际上，即使该系统中除源电阻之外的全部器件均无噪声，噪声系数也将为3dB。从本质上讲，这是复合接收机架构的一种SSB应用，无法抑制非预期单边带。级联噪声系数的推导与以上所述完全相同，但级联输入处的热噪声引起的输出噪声为：

N_ot=kT₀G₁G₂G₃.

所以现在变为：

设：

得到：

与预期一样，对于这种结构的DSB应用，噪声级联公式中的每一项乘以2。然而，这种情况有时候是不正确的。现在，我们以一台接收机为例，就噪声和干扰而言，受两个边带的影响，但仅使用其中一个边带的信号。由于下边带仅影响易受干扰的接收机，通常采用正交通道来抑制不希望的边带信号。一种方法是在接收机的输出利用90度合成器组合I和Q信号，从而抵消不希望边带中的信号，并将其有效增加至预期边带。实际上，这将把整个接收机变成一台镜像抑制下变频器。如果能够在合成点有效地控制被合成信号的相位，最后的和成级将恢复之前失去的3dB系统噪声系数。图12中所示为这种方法的一个仿真原理图，对应结果如表8所示。

图12. 带镜像抑制的NZIF接收机。

表8. LIF接收机镜像抑制仿真结果

器件	CF (MHz)	CP (dBm)	CNP (dBm)	GAIN (dB)	SNF (dB)	CGAIN (dB)	CNF (dB)
MultiSource_1	950.3	-79.995	-116.194	0	0	0	0
FE_BPF	950.3	-80.005	-116.194	-9.99E-03	1.00E-02	-9.99E-03	9.99E-03
Lin_1	950.3	-70.004	-103.194	10	3	9.99	3.01
Split2_1	950.3	-73.014	-105.992	-3.01	3.01	6.98	3.222