原创 如何计算射频串联器件的噪声指数

2014-11-21 20:46 1895 26 26 分类: 模拟 文集: 射频


如何计算射频串联器件的噪声指数

噪声指数是用来衡量某一电子器件的噪声性能,它定义为信号在进入这一器件前和从该器件输出后的载噪比变化的倍数。射频电子元器件在信号处理过程中会将其本身所具有的热噪声附加到信号上。

假定输入信号的噪声温度为290K的环境室温,那么我们可以从噪声指数上定义出发,很容易得到器件的噪声指数F与其噪声温度的T之间的关系式:F=1+T/290,T=290*(F-1)。
噪声指数F是一个没有单位的标量,其值经常表达为分贝的形式。由于噪声指数属于一个元器件的固有特性,因而滤波器、放大器等射频元器件通常标出其运行时的噪声指数值。

噪声指数F和噪声温度T外,射频元器件的另一个重要性能指数是其功率放大倍数,或者称为增益(最典型的是LNA,我到现在还没搞懂,LNA是功率放大,功率放大的倍数却称为增益)。对于电缆线等无源器件,它们的增益G小于1,或者说它们的损耗L大于1。一个器件的增益G与损耗L互为倒数,即L=1/G。实际我们生活中同轴电缆损耗与电缆线的长度成正比,并且越粗的电缆线通常具有越低的损耗。不难证明,无源器件的噪声指数F等于其损耗L,于是它的噪声温度T也可以表达成T=290*(L-1)

   对于整个接收系统而言,它的噪声温度自然取决于系统中各部分器件的噪声性能。在如下图所示的一个由多个器件串联而成的接收系统中,它的射频前端分别由天线、电缆和随后的三级器件串联而成。
   20141120215518385.jpg

其中Ta代表天际背景噪声、太阳辐射、和地面反射等外界进入接收天线的噪声温度。

从天线到器件1之间的电缆损耗为L

电缆之后的第i级器件的噪声温度与增益分别为TiGi

我们希望计算出这一部分接收系统的总的噪声性能。

不做任何正式推导,我们直接给出电缆线之后的三级串联器件的总噪声温度折换成在点B处的等效噪声温度Tt的计算公式:20141120215709827.jpg。此为富莱斯公式,他可以轻易推倒到计算一个任意级串联系统的噪声温度。

上式表明,一个串联器件系统中的首级器件的噪声温度性能尤为重要,它的噪声会主导整个串联器件系统的噪声温度,而后面几级的噪声温度经折算后被缩小,缩小的倍数等于其前面几级器件的增益之积

我们接着从A点向后方观察,等效于电缆线与等效噪声温度为Tt的组合器件串联在一起,折算到A点的等效噪声温度Tr20141120215830120.jpg

那么折算到A点的总的噪声温度T = Ta+Tr。需要提醒的是,尽管器件的增益、损耗和噪声指数等参量值经常以分贝的形式出现,但带入上面一系列计算公式的值应该是一般意义上的数值,而不是分贝值。

GPS接收机的整个信号的接收系统的噪声温度与天际背景噪声、天线噪声、线路损耗、环境温度射频前端噪声等有关,其中后两者占据主导地位。

例:在GPS接收机中,紧跟天线的之后依次是低噪声放大器(LNA)、电缆线和射频前端芯片,其中LNA的噪声指数1.5dB,增益20dB,电缆线损耗1dB,而整个射频前端芯片的噪声指数为9dB。试求此接收系统的在天线之后的各部分器件的总噪声指数?

20141120220207789.jpg

即噪声指数为20141120220325365.jpg,可见前级噪声对整个系统噪声影响巨大

实际在工作中我们会用噪声仪直接测量出我们系统的噪声指数,不会用到上面繁琐数学公式。

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