了解接收器應(yīng)用中小信號(hào)輸入和大信號(hào)輸入的ADC噪聲

以下文章介紹了小信號(hào)和大信號(hào)輸入與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的噪聲+失真性能之間的關(guān)系及其對(duì)數(shù)字接收器系統(tǒng)靈敏度和交流性能的影響。

介紹

在采樣或子采樣接收器設(shè)計(jì)中使用高性能奈奎斯特模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）時(shí)，RF設(shè)計(jì)人員需要了解ADC在小信號(hào)和大信號(hào)輸入下的噪聲性能。接收器必須滿足這兩個(gè)信號(hào)電平極端下的靈敏度和阻塞（高電平干擾）要求，ADC針對(duì)每個(gè)電平產(chǎn)生不同的噪聲量，可以用其有效噪聲系數(shù)來(lái)表示。在確定ADC的交流要求時(shí)，用戶必須了解接收器陣容中ADC噪聲貢獻(xiàn)的量。對(duì)于下面的討論，假設(shè)噪聲在轉(zhuǎn)換器的奈奎斯特頻帶上是平坦的。

確定有效噪聲系數(shù)

對(duì)于小模擬輸入信號(hào)（大約-35dBFS），熱+量化噪聲功率主導(dǎo)ADC本底噪聲，用于近似ADC的有效噪聲系數(shù)（NF）。一旦知道ADC的噪聲系數(shù)，就可以使用級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)方程1來(lái)確定接收器輸入端的總接收器噪聲系數(shù)。小信號(hào)輸入的ADC噪聲貢獻(xiàn)水平用于接近和略高于接收器靈敏度的信號(hào)。請(qǐng)參考圖1，并按照以下步驟估算小信號(hào)模擬輸入電平的ADC有效噪聲系數(shù)：

計(jì)算ADC的滿量程電平（單位：dBm）。此步驟是必要的，因?yàn)闊?量化噪聲功率通常以dBFS為單位給出，噪聲系數(shù)是相對(duì)于dBm計(jì)算的。

根據(jù)元件供應(yīng)商的數(shù)據(jù)手冊(cè)或通過(guò)測(cè)量（對(duì)于-35dBFS量級(jí)的小信號(hào)輸入電平）確定熱+量化本底噪聲電平（以dBm為單位）。

通過(guò)減去 1 × 對(duì)數(shù) （f ） 計(jì)算 10Hz 帶寬中的歸一化本底噪聲電平樣本/2） 其中 f樣本以赫茲為單位。

確定1Hz帶寬內(nèi)的熱噪聲功率;
KTB = 4.002 × 10-21瓦特（或?qū)?shù)形式 = -174dBm），其中
K = 玻爾茲曼常數(shù) = 1.381 × 10-23室溫
下 W/Hz/K，
T = 290 K B = 1Hz 的歸一化帶寬

通過(guò)從步驟 4 中計(jì)算的結(jié)果中減去步驟 3 的結(jié)果來(lái)計(jì)算有效噪聲系數(shù)。

在實(shí)踐中，一旦知道ADC的有效噪聲系數(shù)，并確定模擬電路（RF和IF）的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù);選擇ADC之前的最小功率增益，以滿足所需的接收器噪聲系數(shù)。功率增益量對(duì)最大阻塞信號(hào)或接收器可以容忍的最高干擾水平設(shè)置了上限。對(duì)于蜂窩基站應(yīng)用，如果不實(shí)施一定量的自動(dòng)增益控制（AGC），ADC通常沒(méi)有足夠的動(dòng)態(tài)范圍來(lái)滿足噪聲系數(shù)要求（接收器靈敏度）和最大阻塞器要求。AGC 可以包含在 RF 或 IF 級(jí)（或兩者）中。當(dāng)使用更高分辨率的轉(zhuǎn)換器時(shí)，熱+量化噪聲較低，從而降低了ADC的有效噪聲系數(shù)。因此，接收器陣容中需要較少的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)接收器噪聲系數(shù)，從而在存在更高電平阻塞信號(hào)時(shí)減少對(duì)AGC電路的需求。

圖1.確定ADC對(duì)小信號(hào)輸入的有效噪聲系數(shù)，以滿足接收器靈敏度要求。

對(duì)于中間信號(hào)電平輸入，轉(zhuǎn)換器的差分非線性（DNL）噪聲隨著跨越主要子范圍邊界而增加。中間信號(hào)電平可以定義為大于-35dBFS的信號(hào)電平，但仍低于時(shí)鐘抖動(dòng)顯著增加ADC噪聲功率的輸入電平。中間信號(hào)電平不是本應(yīng)用筆記的重點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兘橛陟`敏度和阻塞信號(hào)電平極端之間。

對(duì)于大電平模擬輸入信號(hào)（接近滿量程），ADC本底噪聲電平增加，主要是由于時(shí)鐘抖動(dòng)。信號(hào)與噪聲電平的比值定義為信噪比（SNR）。在任何特定應(yīng)用中，ADC噪聲功率的可接受水平是在同時(shí)向接收器端子施加阻塞信號(hào)和較小信號(hào)的情況下計(jì)算的。在任何應(yīng)用中，SNR都可以針對(duì)任何帶寬指定，但通常以第一奈奎斯特區(qū)（采樣速率的一半）或所需的信號(hào)帶寬指定。因此，用戶密切關(guān)注整個(gè)計(jì)算過(guò)程中使用的帶寬非常重要。

請(qǐng)參考圖2，并按照以下步驟估算ADC在大模擬輸入信號(hào)下的有效噪聲系數(shù)：

確定轉(zhuǎn)換器的滿量程電平（以dBm為單位），知道最大允許V值P-P和輸入端接電阻，R在.

注意制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定或用戶測(cè)量的SNR水平（在圖2中顯示為X dB）。

在已知SNR的情況下，計(jì)算轉(zhuǎn)換器在第一奈奎斯特區(qū)域的噪聲功率（以dBm為單位）。

使用采樣率計(jì)算 10 × 日志 （f樣本/2） 其中 f樣本以赫茲為單位。

通過(guò)從（1）中的結(jié)果中減去（4）中得到的結(jié)果來(lái)確定轉(zhuǎn)換器在3Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率。

計(jì)算 B = 1Hz 的 KTB（在室溫下等于 -174dBm）。

通過(guò)從（6）中獲得的結(jié)果中減去（5）的結(jié)果來(lái)計(jì)算有效噪聲系數(shù)。

圖2.確定大信號(hào)輸入的ADC有效噪聲系數(shù)，以滿足接收器阻塞器要求。

使用MAX1428的數(shù)值示例

MAX1428具有以下初步規(guī)格（見(jiàn)表1）：

MAX1428 ADC噪聲貢獻(xiàn)

假設(shè)MAX1428差分輸入引腳上的端接電阻產(chǎn)生200Ω的總差分電阻。滿量程輸入電平計(jì)算得出約為等于+6 dBm （2.5VP-P跨200Ω）。對(duì)于80Msps的時(shí)鐘速率，第一奈奎斯特區(qū)域的熱+量化本底噪聲功率等于-78.3dBFS或-72.3dBm。當(dāng)70MHz模擬輸入電平增加到-35dBFS以上，但不接近滿量程時(shí)，轉(zhuǎn)換器DNL噪聲會(huì)使轉(zhuǎn)換器總本底噪聲增加1.3dB至-71dBm。隨著輸入電平進(jìn)一步增加并接近滿量程，由于ADC時(shí)鐘抖動(dòng)至-1.3dBm值，本底噪聲額外增加69.7dB，從而產(chǎn)生28.3dB的有效噪聲系數(shù)（根據(jù)圖2中概述的程序）。

圖3.MAX1428 ADC噪聲貢獻(xiàn)圖示于第一奈奎斯特區(qū)。

接收器靈敏度的阻塞器不存在情況

假設(shè)ADC前面的所有模擬電路的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)均為3.5dB。假設(shè)目標(biāo)是使ADC將接收器總噪聲系數(shù)降低不超過(guò)0.2dB，以滿足CDMA基站接收器中的某些目標(biāo)靈敏度。該噪聲系數(shù)值應(yīng)為空口要求提供足夠的裕量，這也取決于最終探測(cè)器的Eb/No（位能量與噪聲功率譜密度比）要求。如果使用表1428中的MAX1熱+量化本底噪聲值，當(dāng)器件時(shí)鐘為25Msps時(shí)，可以計(jì)算出7.1dB的等效噪聲系數(shù)（按照?qǐng)D80所示的程序）。由于實(shí)現(xiàn)了處理增益，1.23MHz CDMA通道帶寬中的ADC噪聲比第一奈奎斯特區(qū)域中的噪聲低15.1dB。除非另有說(shuō)明，否則圖4中的所有噪聲功率均以通道帶寬計(jì)算。計(jì)算總增益為35dB，以實(shí)現(xiàn)所需的3.7dB典型噪聲系數(shù)值。

圖4.阻止程序不存在的情況。

阻止程序當(dāng)前方案

當(dāng)增益領(lǐng)先于ADC35dB時(shí)，天線端子上高于-29dBm的最大單音阻塞電平將超過(guò)ADC滿量程輸入。cdma2000?蜂窩基站標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定天線端子上允許的最大阻塞電平為-30dBm。在任何實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)考慮接收器增益容差時(shí)，設(shè)計(jì)中都需要包括達(dá)到此最大阻塞電平的裕量。在本例中，6dB增益降低用于增加施加到ADC的最大允許阻塞信號(hào)。這種增益降低量導(dǎo)致天線的最大阻塞電平為-25dBm，ADC輸入端的最大阻塞電平為+4dBm（-2dBFS）。當(dāng)存在單音阻塞器時(shí)，cdma2000空中接口標(biāo)準(zhǔn)允許整體（噪聲+失真）相對(duì)于參考靈敏度下降3dB。（噪聲+失真）元件的分配由設(shè)計(jì)人員決定，用于任何特定的接收器配置。例如，假設(shè)當(dāng)施加0dB的AGC時(shí)，設(shè)計(jì)人員允許RF前端級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)從標(biāo)稱5.3dB降低5.6dB。ADC前面只有29dB的增益和28.3dB的有效噪聲系數(shù)，在“阻塞條件”下，級(jí)聯(lián)接收器噪聲系數(shù)為5.3dB，與根據(jù)接收器靈敏度計(jì)算的1.6dB噪聲系數(shù)相比下降了3.7dB。這比cdma1標(biāo)準(zhǔn)中允許的4dB降級(jí)（噪聲+失真）低3.2000dB。

圖5.阻止程序當(dāng)前方案。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器噪聲和失真 （SINAD）

如果使用ADC的SINAD值72.5dB而不是SNR（考慮到ADC的噪聲和失真成分），則由于RF前端噪聲系數(shù)和ADC（噪聲+失真）引起的噪聲系數(shù)總體下降將為2.1dB，仍低于為該測(cè)量分配的3dB。因此，如果需要，仍會(huì)為接收器模擬前端的（噪聲+失真）性能分配0.9dB降級(jí)。

結(jié)論

本應(yīng)用筆記說(shuō)明，ADC根據(jù)信號(hào)輸入電平產(chǎn)生不同水平的噪聲功率，并且ADC噪聲會(huì)影響小信號(hào)和大信號(hào)電平極端情況下的整體接收器響應(yīng)。如果在接收器設(shè)計(jì)中未正確考慮ADC噪聲（和失真）功率的級(jí)聯(lián)貢獻(xiàn)，則轉(zhuǎn)換器可能超出或低于任何特定應(yīng)用的規(guī)定。

審核編輯：郭婷