接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法

2023-10-19 02:58:47

專利名稱：接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法
技術領域：
本發明涉及一種對接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，具體地說，是指一種對未給定射頻系統內部各子模塊噪聲參數的前提下應用射頻系統總體指標進行分解各子模塊噪聲參數的分配方法。
背景技術：
一般接收機由天線、射頻系統和中頻及基帶解調系統構成，其中，射頻系統包括低噪放、混頻器和中放。接收機的噪聲主要是在射頻系統中產生，但系統給出的總體參數往往只局限於射頻系統各級的頻點、帶寬、增益等數值，而未包含各個模塊的噪聲參數。作為接收機的數字通信系統要求知道較為精確的噪聲特性從而判斷代表系統質量的誤碼率特性。因此，需要根據接收機整體系統給定的有限的指標去估計出比較合理的射頻系統中各個電路模塊的噪聲特性參數。

發明內容
本發明的目的是提供一種接收機射頻系統電路噪聲功率譜的分配方法，該分配方法解決了在只給定系統總體噪聲指標下進行射頻系統各級子電路噪聲參數的分配。
本發明的一種接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，包括下列分配步驟(A)根據射頻系統總體指標得到其輸出的噪聲譜密度值NL′；(B)將天線輸入噪聲值N0進行有噪線性電路輸入輸出噪聲功率譜分布得到第一級的輸出噪聲功率譜密度N1和第一級子電路的等效噪聲溫度Te1的約束關係為由第一級的輸出噪聲功率譜密度N1作為第二級的輸入噪聲功率譜密度，根據有噪線性電路輸入輸出噪聲功率譜分布得到第二級的輸出噪聲功率譜密度N2和等效噪聲溫度Te2的約束關係N2=(N1+KTe2)G2;]]>N1=(N0+KTe1)G1;]]>(C)經(B)步驟依次對射頻系統內各級子電路進行迭代得到射頻系統總噪聲分布NL={[(N0++KTeL-1)GL-1]+KTeL}GL,]]>且NL小於等於NL′，從而得到各級子電路的噪聲參數Te1，Te2…TeL。
所述的接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，其有噪線性電路輸入輸出噪聲功率譜分布依據為Ni=(Ni-1+KTei)Gi---(i=1,2L;)]]>式中，Ni表示第i級子電路的輸出噪聲譜密度，Tei表示第i級子電路的等效噪聲溫度，等效噪聲溫度與噪聲係數之間的關係為NF-1＝Te/T0，且T0為室溫290K，Gi表示第i級子電路的增益，L表示射頻系統子電路的級數，K表示玻爾茲曼常數。
所述的接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，其天線輸入噪聲值N0是射頻系統總輸入噪聲值。
所述的接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，其等效噪聲溫度是系統各級子電路可獲得的噪聲指標。
所述的接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，其射頻接收機系統中的混頻器從信號幅度角度而言是線性器件。
本發明的優點(1)彌補了射頻系統設計時噪聲參數分配不精確造成的系統總體噪聲指標不合格從而導致系統其它性能下降的問題，如射頻系統輸出信噪比降低、基帶誤碼率增大、信號質量下降等，解決了射頻系統在設計時各級子電路噪聲參數的分配；(2)各級子電路噪聲功率譜密度進行逐級迭代分配，比傳統方式分配的噪聲參數精度更高；(3)射頻系統中各級子電路的噪聲特性參數分配合理，從而使射頻系統總體噪聲特性滿足指標要求，因此系統其他性能得到保證。
具體實施例方式
本發明是一種接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，包括下列分配步驟(A)根據射頻系統總體指標得到其輸出的噪聲譜密度值NL′；(B)將天線輸入噪聲值N0進行有噪線性電路輸入輸出噪聲功率譜分布得到第一級的輸出噪聲功率譜密度N1和第一級子電路的等效噪聲溫度Te1的約束關係為N1=(N0+KTe1)G1;]]>由第一級的輸出噪聲功率譜密度N1作為第二級的輸入噪聲功率譜密度，根據有噪線性電路輸入輸出噪聲功率譜分布得到第二級的輸出噪聲功率譜密度N2和等效噪聲溫度Te2的約束關係N2=(N1+KTe2)G2;]]>(C)經(B)步驟依次對射頻系統內各級子電路進行迭代得到射頻系統總噪聲分布NL={[(N0++KTeL-1)GL-1]+KTeL}GL,]]>且N上小於等於NL′，從而得到各級子電路的噪聲參數Te1，Te2…TeL。
在本發明中，有噪線性電路輸入輸出噪聲功率譜分布依據為Ni=(Ni-1+KTei)Gi---(i=1,2L;)]]>式中，Ni表示第i級子電路的輸出噪聲譜密度，Tei表示第i級子電路的等效噪聲溫度，等效噪聲溫度與噪聲係數之間的關係為NF-1＝Te/T0，且T0為室溫290K，Gi表示第i級子電路的增益，L表示射頻系統子電路的級數，K表示玻爾茲曼常數。
下面對噪聲通過有噪線性電路的分布進行說明。
一般接收機的噪聲由射頻系統產生，射頻系統按信號流程通常有低噪聲噪放器、混頻器、中頻放大器組成，由天線輸入的噪聲經低噪放、混頻器、中放後，其噪聲譜密度值依次增大。從隨機過程的角度而言，根據維納-欣欽定理可得到接收機系統輸出的噪聲功率譜密度為N0′(ω)＝K2(ω)N0(ω) (1)式(1)中N0(ω)為天線輸入的噪聲功率譜密度，N0′(ω)為射頻系統輸出的噪聲功率譜密度，K(ω)為電路的幅頻特性，K2(ω)為功率增益特性。在系統工作帶寬B內，如果噪聲功率譜K2(ω)及幅頻特性K(ω)均為恆定值，則有N0′＝GN0(2)式(2)中G為電路的增益。
從電子系統內部噪聲分析的角度而言，系統內部的噪聲對射頻系統輸出噪聲功率譜N0′(ω)也有較大的影響，電阻R在帶寬B上的熱噪聲電動勢的均方值為rms2=4kTRB---(3)]]>式中νrms為噪聲電壓的有效值。
噪聲通過有噪線性電路後噪聲功率譜的計算是一個結合隨機過程信號處理和電子系統噪聲分析的過程。為了進行系統內噪聲功率譜的計算下面給出有噪線性電路輸出噪聲功率譜的分布過程。
接收機前端的放大器一般輸入信號很弱，通常認為是線性的。接收機輸入噪聲為源電阻(工業信號檢測系統的純電抗源的傳感器除外)產生的高斯白噪聲。如果接收機前端的源電阻與接收機第一級(前置放大器)的輸入電阻相匹配，則由式(3)得到放大器得到的最大資用噪聲功率為Pal=rms24R=kTB---(4)]]>如果假定放大器的輸入阻抗匹配到非電抗性天線電路的輸出阻抗，則對於前端放大器內部的噪聲，可用一個前置電阻的熱噪聲來等效。設等效噪聲溫度為Te，則由(4)式得到等效的輸入噪聲功率為Pe＝kTeB (5)又高斯白噪聲在帶寬B上的噪聲功率可寫為2B(N02)=BN0,N02]]>為高斯白噪聲的雙邊功率譜密度。
根據上述分析及功率關係可得出射頻系統輸出噪聲譜密度N0′與天線輸入噪聲譜密度N0以及內部噪聲(Te)之間的關係滿足N0′B＝(N0B+kTeB)G (6)從而得到N0′＝(N0+kTe)G(7)對比(2)式與(7)式可見，有噪線性系統輸出噪聲功率譜為天線輸入功率譜和射頻系統噪聲共同貢獻而來。(7)式給出了有噪線性電路輸出噪聲功率譜的嚴格解。通常，在射頻接收機的末端，輸入的噪聲譜值No較kTe值大幾個數量級，因此，輸出的噪聲功率譜值就可近似為輸入噪聲譜值的線性放大。這與噪聲係數理論中「級連電路的總噪聲係數關鍵取決於前幾級」相吻合，且天線輸入噪聲值N0是射頻系統總輸入噪聲值。
噪聲譜計算在直接序列擴頻抗幹擾通信電臺系統中的應用。
在此系統中，要求射頻輸出信噪比(S/N)out≥9.5dB。根據Q函數與誤差函數的關係Q(x)=12(1-erf(x2))]]>得到誤碼率為Pe=Q((SN)out)=12(1-erf((SN)out/2))---(8)]]>當(S/N)out＝9.5dB時，Pe＝O.001。
又擴頻通信的輸出信噪比(SN)out=2PTN0---(9)]]>
即要求2PTNL9.5dB,]]>P為中頻解調處的有用信號功率，T為信息數據脈碼寬度，NL′為射頻輸出即中頻處的噪聲功率譜密度。根據系統給定的接收靈敏度和前端射頻電路總增益可得到P＝0.462dBm，系統參數已知T＝31.25μS，則可推得最嚴格的中頻噪聲譜密度需滿足NL′＝51.58dBm即中頻處的噪聲譜密度需滿足小於等於-51.58dBm。
在此電臺接收機射頻部分中對噪聲產生影響的器件按順序有六個前端低噪放、補償放大器、一混頻器、一中放、二混頻器、二中放。
前端天線輸入的噪聲經這些器件作用後，噪聲譜密度值增大。天線輸入的噪聲功率譜密度為N0＝kT＝1.38×10-23×290＝4.002×10-21w/Hz＝-173.977dBm表1常用放大器的增益及噪聲參數

參照表1對前端低噪放進行參數設定G1＝10dB，NF1＝3.8dB根據噪聲係數與等效噪聲溫度之間的關係式NF-1＝Te/T(T0為室溫290K)(10)得到低噪放的等效噪聲溫度為Te1=T0(NF1-1)=405.7K]]>所以由式(7)得到低噪放輸出端的噪聲譜密度為N1=(N0+kTe1)G1]]>=(4.00210-21+1.3810-23405.7)10]]>=9.60210-20w/Hz=-160.176dBm]]>為了產生較高的信號電平，在低噪放之後接高噪聲高增益的補償放大器。前端低噪放輸出的噪聲作為下一級電路的噪聲輸入，等效噪聲溫度是系統各級子電路可獲得的噪聲指標。設定G2＝15dB，NF2＝4.5dB中頻放大兩級級聯，各放大40dB。根據表1設定中頻放大器增益為40dB，噪聲係數為7.0dB。
這樣，射頻增益為25dB，中頻增益為80dB，滿足系統增益指標。且因為設定輸入信號為靈敏度值-110dBm，所以可以認為各放大器處於小信號即線性工作狀態。
對於非線性元件混頻器，我們把其與噪聲特性相關的非線性定義為對射頻輸入幅度的壓縮效應，而不是指與本振相關的頻率變化的非線性。所以，從信號幅度角度而言，混頻器仍可認為是線性器件。混頻器轉換增益為5dB，噪聲係數為4dB。根據上面的分析方法得出的各元件的噪聲係數及各級子電路輸出端的噪聲譜密度見表2。
表2射頻接收機各級子電路的噪聲係數及輸出噪聲功率譜密度

根據計算結果得到的中頻處的噪聲功率譜密度為NL＝-52.503dBm≤NL′＝-51.58dBm，滿足指標要求。即在上述射頻系統模型作用下，中頻處產生的等效噪聲功率為-52.503dBm，能保證在接收信號最弱時仍能正常解調話音信號。
採用仿真進行結果驗證。
按照前面所述的電臺通信系統從基帶到射頻的收發鏈路並進行高斯白噪聲信道下的誤碼率仿真分析。採用Monte Carlo統計分析，取100000個採樣點。從仿真結果可以看到，誤碼率為0.00034，即100000個採樣點裡有34個點產生誤碼。
在接收信號為靈敏度值，中頻處噪聲譜密度為-52.503dBm的條件下，系統輸出的信噪比為(S/N)out＝10.9238。根據式(8)計算得到Pe＝0.00047468，即理論計算結果為100000個點有近似47個點有誤碼。誤碼率仿真值與理論值之間的誤差為0.013％。
在本發明中，解決了如何在未給定射頻系統各級子電路內部噪聲參數而只給定系統總體噪聲指標的前提下分配出合理的各級子電路噪聲參數，提出了一種在有限的系統參數下進行射頻接收機各子電路噪聲參數的分配方法。對信道中的加性高斯白噪聲通過有噪線性電路後的功率譜計算進行了詳細的分析，並把這種等效計算的方法應用在一電臺通信射頻接收機中。在有限的系統參數(信噪比，靈敏度，增益等)下分析出了各子電路合理的噪聲係數，並通過基帶的誤碼率得到了驗證。理論值和仿真結果較好吻合，說明了本發明分配方法的有效性。這種方法對於系統有限參數前提下的各級子電路合理建模給出了很好的理論依據，不論對於射頻系統設計前期的原理設計還是對系統後期驗證及性能分析均有很好的指導作用。
權利要求
1.一種接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，其特徵在於(A)根據射頻系統總體指標得到其輸出的噪聲譜密度值N＇L；(B)將天線輸入噪聲值No進行有噪線性電路輸入輸出噪聲功率譜分布得到第一級的輸出噪聲功率譜密度N1和第一級子電路的等效噪聲溫度Te1的約束關係為N1=(N0+KTe1)G1;]]>由第一級的輸出噪聲功率譜密度N1作為第二級的輸入噪聲功率譜密度，根據有噪線性電路輸入輸出噪聲功率譜分布得到第二級的輸出噪聲功率譜密度N2和等效噪聲溫度Te2的約束關係N2=(N1+KTe2)G2;]]>(C)經(B)步驟依次對射頻系統內各級子電路進行迭代得到射頻系統總噪聲分布NL={[(No+...+KTeL-1)GL-1]+KTeL}GL,]]>且NL小於等於N＇L，從而得到各級子電路的噪聲參數Te1，Te2...TeL。
2.根據權利要求1所述的接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，其特徵在於有噪線性電路輸入輸出噪聲功率譜分布依據為Ni=(Ni-1+KTei)Gi---(i=1,2...L;)]]>式中，Ni表示第i級子電路的輸出噪聲譜密度，Tei表示第i級子電路的等效噪聲溫度，等效噪聲溫度與噪聲係數之間的關係為NF-1＝Te/T0，且To為室溫290K，Gi表示第i級子電路的增益，L表示射頻系統子電路的級數，K表示玻爾茲曼常數。
3.根據權利要求1所述的接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，其特徵在於天線輸入噪聲值No是射頻系統總輸入噪聲值。
4.根據權利要求1所述的接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，其特徵在於等效噪聲溫度是系統各級子電路可獲得的噪聲指標。
5.根據權利要求1所述的接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，其特徵在於射頻接收機系統中的混頻器從信號幅度角度而言是線性器件。
全文摘要
本發明公開了一種接收機射頻系統電路內部噪聲的分配方法，該分配方法解決了在只給定系統總體噪聲指標下進行射頻系統各級子電路噪聲參數的分配，包括下列分配步驟(A)根據射頻系統總體指標得到其輸出的噪聲譜密度值N′
文檔編號H04B1/10GK1667970SQ20051006784
公開日2005年9月14日 申請日期2005年4月28日 優先權日2005年4月28日
發明者蘇東林, 謝樹果, 王瓊, 戴飛, 黃正華, 李冉 申請人:北京航空航天大學