数字发射链路噪声系数核算方法、实例与matlab程序
前言
发射链路各器件噪声性能较差会影响发射信号信噪比,从而导致较高的误码率,通过定量的分析发射链路噪声系数与信噪比恶化的关系,能够在设计过程中进行合理的评估和处理。
一、发射链路噪声
发射链路的噪声从特性上可以大致分为:量化噪声、加性热噪声、乘性噪声以及非线性噪声,也可从频率角度分为带内噪声和带外噪声。发射带内噪声会影响通信解调性能、影响雷达处理性能,发射带外噪声会影响发射效率,并可能造成对其它设备的干扰。
对于计算链路噪声系数而言,主要考虑的是数字发射的量化噪声,射频放大链路的热噪声,时钟源和本振源的乘性噪声。与接收链路设计考虑相同,发射链路的噪声设计的核心同样是链路增益的分配。
二、计算过程与实例
通过实际测量可以得到数模转换器DAC的输出信噪比DAC_snr,假定测试得到的值为47dB,信号能量DAC_pow = -31.4dBm,经过上变频链路后输出信噪比为RF_snr = 40.7dB,信号能量RF_pow = -14.9dBm,随着信号能量被放大,同时信噪比也有所恶化,说明整个链路引入了额外的热噪声,同时分辨率带宽为RBW=300kHz,积分带宽IBW=40MHz。
小信号链路增益
Gain=RF_pow-DAC_pow
=-14.9dBm-(-31.4dBm)
=16.5dB
DAC的输出噪声谱密度为
DAC_NSD = DAC_pow-DAC_snr-10*log10(IBW)
= -31.4-47-76.0
= -154.4dBm/Hz
经过上变频链路后的输出噪声谱密度为
RF_NSD = RF_pow - RF_snr - Gain - 10*log10(IBW)
= -14.9-40.7-16.5-76.0
= -148.1dBm/Hz
根据DAC_NSD 与 RF_NSD 可以求解射频链路所引入的噪声
RF_Noise = 10*log10(10^(RF_NSD/10)-10^((DAC_NSD + Gain)/10) = -132.8dBm/Hz
根据噪声因子的定义F = 1+N/(GN0)可以进一步求解上变频链路所对应的噪声系数,有RF_NF = 24.7dB,而DAC的噪声系数DAC_NF = 19.6dB。 其中N0对应常温每Hz带宽-174dBm/Hz。
此外,在计算过程中要特别注意参数单位是dBm,mW,dB或是倍数,对于噪声能量的叠加,dBm与dBm值要转化为mW进行叠加,dBm与dB可直接相加,mW与倍数应是相乘关系。
三、计算脚本
上述计算过程的matlab程序如下:
clear all; close all; clc; format compact; % Calculation Input DAC_snr = 47; DAC_pow = -31.4; RF_snr = 40.7; RF_pow = -14.9; IBW = 4e7; % Calculation Output Gain = RF_pow - DAC_pow DAC_NSD = DAC_pow - DAC_snr - 10*log10(IBW) RF_NSD = RF_pow - RF_snr - 10*log10(IBW) RF_Noise = 10*log10(10^(RF_NSD/10))-10^((DAC_NSD+Gain)/10) RF_NF = 10*log10(1+10^(RF_Noise/10)/10^((-174+Gain)/10)) DAC_NF = 10*log10(1+10^(DAC_NSD/10)/10^(-174/10))
总结
发射链路噪声对目前的系统设计越来越重要,这里分析了射频发射链路噪声的来源与影响,并结合实例给出了基于实测数值噪声系数的核算方法与脚本,相关计算过程和实例参考了下述参考文献。该方法对于射频发射链路设计很有参考价值。
参考文献:李晓东,张岳华,洪潇,宽带数字T/R组件发射链路噪声分析,现代雷达,2023.2 Vol.45(2)
版本信息:
V1 2023.12.1 初稿
V2 2023.12.4 添加节“发射链路噪声”,分析了影响与来源;
添加了参量单位计算注意事项;
重写了总结,修改了文章标签。
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