接收器的雙邊帶（DSB）和單邊帶（SSB）噪聲圖測量示例

系統(tǒng)和設(shè)計(jì)工程師通常使用噪聲系數(shù)來確保最佳信號性能。但是，在信號鏈中使用混頻器給直接的噪聲圖分析帶來了挑戰(zhàn)。本教程首先檢查噪聲系數(shù)的基本定義，然后繼續(xù)對包括混頻器的級聯(lián)模塊進(jìn)行基于方程的分析，然后再采用典型的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)來測量噪聲系數(shù)。在探索將Y因子方法用于混頻器噪聲圖測量之前，本教程還涵蓋了噪聲溫度和Y因子噪聲測量的概念。討論了雙邊帶（DSB）和單邊帶（SSB）噪聲圖測量的示例。

簡介
本教程解決了現(xiàn)代無線電接收機(jī)中的噪聲系數(shù)問題。它討論了導(dǎo)致接收機(jī)系統(tǒng)中NF的最常見因素，以及有助于實(shí)現(xiàn)所需測量結(jié)果的數(shù)學(xué)方法。探索了無線電接收機(jī)的不同部分，并重點(diǎn)介紹了每個(gè)部分的NF分析。

噪聲系數(shù)的一般概念已得到系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)人員的充分理解并廣泛使用。特別是，它用于傳達(dá)產(chǎn)品定義者和電路設(shè)計(jì)人員對噪聲性能的要求，并預(yù)測接收器系統(tǒng)的整體靈敏度。

當(dāng)混頻器是信號鏈的一部分時(shí)，就會出現(xiàn)噪聲圖分析的主要困難。所有實(shí)際混頻器將RF頻譜折疊在本地振蕩器（LO）頻率附近，從而產(chǎn)生一個(gè)輸出，其中包含根據(jù)fOUT = | fRF – fLO |兩側(cè)頻譜的總和。在外差架構(gòu)中，這些貢獻(xiàn)之一通常被認(rèn)為是虛假的，而另一貢獻(xiàn)是預(yù)期的。因此，很可能采用圖像拒絕濾波或圖像消除方案來大大消除這些響應(yīng)之一。在直接轉(zhuǎn)換接收器中，情況有所不同。兩個(gè)邊帶（高于和低于fRF = fLO）都被轉(zhuǎn)換并用于有用信號。因此，這確實(shí)是混頻器的雙邊帶（DSB）應(yīng)用。

工業(yè)中通常使用的各種定義在不同程度上解釋了噪聲折疊。例如，傳統(tǒng)的單邊帶噪聲因子FSSB假設(shè)允許來自兩個(gè)邊帶的噪聲折疊成輸出信號。但是，只有一個(gè)邊帶可用于傳送所需信號。假定兩個(gè)響應(yīng)的轉(zhuǎn)換增益相等，自然會導(dǎo)致噪聲系數(shù)增加3dB。相反，DSB噪聲系數(shù)假定混頻器的兩個(gè)響應(yīng)都包含有用信號的一部分，因此，噪聲折疊（以及相應(yīng)的信號折疊）不會影響噪聲系數(shù)。DSB噪聲系數(shù)可用于直接轉(zhuǎn)換接收器以及射電天文接收器中。然而，更深入的分析表明，對于設(shè)計(jì)人員來說，僅針對給定的應(yīng)用選擇合適的噪聲系數(shù)“風(fēng)味”，然后在標(biāo)準(zhǔn)Friis方程中替換相應(yīng)的數(shù)字是不夠的。這樣做會導(dǎo)致分析上的錯(cuò)誤，如果在確定系統(tǒng)噪聲系數(shù)時(shí)，混頻器或混頻器之后的組件起著不可忽略的作用，則分析可能會變得尤為嚴(yán)重。

混合器噪聲的概念模型
可視化混合器噪聲貢獻(xiàn)的一種方法是考慮混合器的概念模型（圖1）。該模型基于安捷倫Genesys仿真程序提供的模型。

混頻器噪聲貢獻(xiàn)。

在此模型中，輸入信號分為兩個(gè)獨(dú)立的信號路徑，一個(gè)代表LO上方的RF頻率，另一個(gè)代表LO下方的頻率。每條路徑在混頻器中都要經(jīng)過獨(dú)立的加性噪聲??處理，并且要應(yīng)用獨(dú)立量的轉(zhuǎn)換增益。最后，兩條路徑被轉(zhuǎn)換為IF頻率，并與混頻器輸出級中可能產(chǎn)生的其他噪聲貢獻(xiàn)相加。在所需頻帶和圖像頻帶中，每單位帶寬的自噪聲功率可能會不同；相應(yīng)的轉(zhuǎn)換增益也可能不同。

為方便起見，我們可以將所有噪聲源引用到輸出，并以全局噪聲項(xiàng)NA進(jìn)行收集，NA表示從混頻器輸出端口獲得的每單位帶寬的總附加噪聲功率。

NA = NSGS + NIGI + NIF

請注意，NA完全不取決于混頻器輸入端口上信號的存在與否。

總結(jié)了混頻器的內(nèi)部噪聲源之后，我們現(xiàn)在來看歸因于源端接的噪聲（圖2）。我們確定了兩個(gè)離散的噪聲源，分別代表由于輸入端在所需頻率和鏡像頻率處的輸入而引起的輸入噪聲密度。我們必須將它們視為獨(dú)立的數(shù)量，因?yàn)閼?yīng)用電路會導(dǎo)致其中一個(gè)衰減，而另一個(gè)會以低損耗傳輸?shù)交祛l器的RF輸入端口。如果圖像和所需的RF頻率很好地分開并且采用了頻率選擇匹配，則可能是這種情況。

源噪聲和混頻器噪聲貢獻(xiàn)。

在寬帶匹配的情況下，我們可以寫為NOUT = NA + kT0GS + kT0GI。但是，如果在所需的RF頻率下對混頻器進(jìn)行高Q頻率選擇匹配，則由于源端接在鏡像頻率處而在輸出端產(chǎn)生的噪聲可能可以忽略不計(jì)，從而導(dǎo)致NOUT = NA + kT0GS。通常，我們可以將系數(shù)α分配給在鏡像頻率下可用于混頻器輸入端口的輸入源端接噪聲功率的有效分?jǐn)?shù)。因此，NOUT = NA + kT0GS +αkT0GI，其中α是0≤α≤1范圍內(nèi)的特定應(yīng)用系數(shù)。稍后我們將看到應(yīng)用中的有效噪聲系數(shù)取決于α的值。

異源接收器
我們可以通過圖3中的示例看到如何在較大的級聯(lián)分析中應(yīng)用有效噪聲系數(shù)。要計(jì)算整個(gè)鏈的級聯(lián)噪聲系數(shù)，我們需要封裝混頻器及其相關(guān)的LO和圖像抑制濾波，如下所示：具有特定增益和噪聲系數(shù)的等效兩端口網(wǎng)絡(luò)。該兩端口網(wǎng)絡(luò)的有效噪聲因子為FSSBe = 2（FDSB – 1）+ 1，因?yàn)榍懊娴?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器很好地抑制了圖像頻率處的終端噪聲。

在相鄰系統(tǒng)塊的上下文中，外差混頻器。

請注意，適用的噪聲系數(shù)既不是混頻器的DSB噪聲也不是SSB噪聲系數(shù)。相反，它是一個(gè)有效的噪聲系數(shù)，介于這兩個(gè)值之間。在這種情況下，DSB噪聲系數(shù)為3dB，如上所述，兩端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲系數(shù)可以計(jì)算為4.757dB。如下表所示，在整體級聯(lián)計(jì)算中使用該值會導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲系數(shù)為7.281dB。手動計(jì)算表明，此結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)Friis方程式一致，混頻器噪聲系數(shù)為4.757dB。

系統(tǒng)中外差混頻器的級聯(lián)性能模擬

通常，當(dāng)用等效的兩端口網(wǎng)絡(luò)代替混頻器及其相鄰組件時(shí)，輸入端口應(yīng)該是信號流中拒絕圖像響應(yīng)的最新節(jié)點(diǎn)。輸出端口應(yīng)該是圖像和所需響應(yīng)組合在一起的最早節(jié)點(diǎn)（通常是混頻器的輸出端口）。如果該架構(gòu)無法有效地抑制混頻器的圖像響應(yīng)，則未經(jīng)修改就無法使用Friis方程。

結(jié)論
在本教程中，我們看到，在混頻器屬于接收器級聯(lián)的一部分的情況下，使用混頻器噪聲系數(shù)的DSB或SSB版本，級聯(lián)噪聲因子的Friis公式通常無效。如果使用濾波器在很大程度上消除了接收器的圖像響應(yīng)，則可以用等效的兩端口網(wǎng)絡(luò)代替混頻器，濾波器和LO子系統(tǒng)。但是，必須考慮到耦合到混頻器輸入端口的源端接的頻率選擇性，由DSB噪聲系數(shù)計(jì)算得出的噪聲系數(shù)。

我們還發(fā)現(xiàn)，相同的物理結(jié)構(gòu)可能具有不同的有效噪聲系數(shù)，具體取決于信號是分布在LO周圍還是完全分布在LO的一側(cè)（即，應(yīng)用分別是DSB或SSB）。通過在LIF模式下使用復(fù)雜的接收器而導(dǎo)致的SNR的3dB損失可以（通常）通過適當(dāng)使用鏡像抑制合并，復(fù)雜濾波或等效基帶處理來恢復(fù)。

Y因子測量將評估混頻器的DSB噪聲系數(shù)，除非采取特殊措施濾除鏡像頻率處的寬帶噪聲刺激。這是與先前導(dǎo)出的級聯(lián)方程一起使用的適當(dāng)值。當(dāng)使用濾波器嘗試獲得SSB噪聲系數(shù)時(shí)，有必要考慮所用濾波器的插入損耗。此外，通過濾波器抑制源端接圖像噪聲的程度可能會導(dǎo)致偏離SSB噪聲系數(shù)的經(jīng)典定義。匹配衰減器的使用可以在很大程度上克服此問題，前提是所使用的衰減量與噪聲源的ENR相比不會過多。

編輯：hfy