模拟芯视界|ADC噪声系数如何影响射频接收器设计

为了制造更小的数字接收器，航天和国防工业采用了现代直接射频 (RF) 采样模数转换器 (ADC)。这些 ADC 消除了射频混合级，并更靠近天线，从而简化了数字接收器设计，同时还节省了成本和印刷电路板 (PCB) 面积。

一个关键（经常被误解的）参数是 ADC 噪声系数，该参数设置用于检测极小信号的射频增益量。本文介绍了如何计算射频采样 ADC 的噪声系数，并说明了 ADC 噪声系数对射频信号链设计的影响。

数字接收器在两种不同场景下工作，如图 1 所示。在阻断情况下，存在干扰或干扰器，接收器必须以较低的射频增益运行，以免使 ADC 饱和。在此设置中，ADC 被干扰信号驱动至接近满量程；因此，ADC 的大信号信噪比 (SNR) 决定了可检测到的信号微弱程度。还有其他降级机制，例如相位噪声和无杂散动态范围。

在第二种场景中，不存在干扰。检测可能的最弱信号仅取决于接收器的固有本底噪声，这种情况通常以接收器灵敏度进行测量。噪声系数用于测量由接收器信号链中的元件引起的 SNR 降级。

图 1. 阻断或干扰情况与接收器灵敏度场景的比较

ADC 的噪声系数通常是接收器的薄弱环节（约为 25dB 至 30dB），而低噪声放大器 (LNA) 的噪声系数低至 <1dB。不过，可以通过使用 LNA 向模拟射频前端（靠近天线）添加增益来改善 ADC 噪声系数。1dB 接收器系统噪声系数和 2dB 接收器系统噪声系数之间的差异约为 20%。这种差异意味着噪声系数为 1dB 的接收器可以检测振幅大约弱 20% 的信号。在软件定义无线电 (SDR) 中，这意味着无线电输出功率降低，从而延长电池寿命，而在雷达中，这使得覆盖更远的距离成为可能。

SDR 或数字雷达中的现代接收器设计使用直接射频采样 ADC 来减小尺寸、减轻重量并降低功耗。该架构无需射频下变频混频级，从而简化了接收器设计。ADC 噪声系数越好，所需的增益越低，实现的节省越多。此外，使用更少的额外射频增益意味着当存在干扰时，需要降低的增益更小，并在接收器中保持更高的动态范围。

您可以使用 Friis 公式来计算接收器系统的噪声系数。假定一个具有两个放大器和一个 ADC 的简化的理想接收器，如图 2 中所示，方程式 1 按如下方式计算级联系统噪声因子：

方程式 1

其中 F_x 是噪声因子，G_x 是功率增益。

以分贝为单位的系统噪声系数为:

方程式 2

图 2. 典型接收信号链

此处需强调两个要点：系统噪声系数主要由第一个元件的噪声系数 F₁ 决定，前提是增益 G₁ 和 G₂ 足够大，以至于 ADC 噪声系数 F₃ 可以忽略不计。

在具有两个级联 LNA 的系统中比较两个分别具有 20dB 与25dB 噪声系数的不同 ADC，可以看出系统噪声系数有很大差异（请参阅表 1）。

表 1. 具有两个 LNA 级的系统噪声系数

如表 2 所示，将 ADC2 列中列出的系统（噪声系数相差5dB）设置为低于 2dB 的系统噪声系数，将需要使用第三个 LNA（噪声系数 = 3dB）额外增加 10dB 的增益。

表 2 突出了 ADC 噪声系数对整体系统噪声系数的影响。添加第三个 LNA 会增加成本、电路板面积（匹配元件、布线和电源）和系统功耗，并进一步降低满量程余量。

表 2. 使用 ADC2 且具有

三个 LNA 级的系统噪声系数

假设目标接收器灵敏度为 -172dBm，或非常弱的信号仅比绝对本底噪声高 2dB (-174dBm + 2dB = -172dBm)，则该接收器需要优于 2dB 的噪声系数。在上面的示例中，我们使用 ADC1（噪声系数为 20dB，如表 1 中所列），级联系统噪声系数为 1.8dB。

如图 3 和表 3 所示，增益为 12dB 的 LNA1 将输入信号和噪声提高 12dB，而将噪声系数降低 1dB（噪声系数 LNA1= 1dB）。LNA2 将信号和噪声提高了 15dB。尽管 LNA2 具有更高的固有噪声图 3dB，但由于 LNA1 的增益为 12dB，其影响仅降至 0.2dB。

最后，ADC1 的噪声分量（噪声系数 = 20dB）减少至仅 0.6dB，因为它会被两个 LNA 的 27dB 增益降低。因此，您最终会得到 1.8dB 的系统噪声系数，从而留下大约 0.2dB 的余量来检测微弱的输入信号。

图 3. 接收信号链中各个噪声系数贡献的图示

表 3. 计算各个噪声系数的贡献

高速数据转换器很少在器件特定数据表中列出噪声系数。可以使用方程式 3 根据 ADC32RF54 射频采样 ADC 的常用数据表参数（请参阅表 4）计算 ADC 的噪声系数。

表 4. ADC32RF54 的数据表参数

ADC Noise figure (d_B) = P_SIG,d_Bm + 174 d_Bm – SNR (dBFS) – bandwidth (Hz)

方程式 3

对于 ADC32RF54，噪声系数计算结果为:

噪声系数（1 倍 AVG）= 20.3dB

10log[(1.1/2/sqrt(2))²/100 x 1000] + 174 - 64.4 -10log[2.6e9/2]

噪声系数（2 倍 AVG）= 19.3dB

10log[(1.35/2/sqrt(2))²/100 x 1000] + 174 - 67.1 -10log[2.6e9/2]

接收器噪声系数是一个重要的系统设计参数，因为它决定了最弱可检测信号。除了非常低的固有噪声系数外，ADC32RF54 还提供了高 SNR，即使在输入功率信号较大的情况下，也能让系统保持其噪声系数。具有相同噪声系数但 SNR 更低的 ADC 需要降低输入增益，以防止饱和，在这种情况下，ADC 噪声系数开始增加总体噪声。