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))

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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。