【導(dǎo)讀】噪聲系數(shù)的一般概念已被系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)人員很好地理解并廣泛使用。特別是，它用于傳達(dá)產(chǎn)品定義者和電路設(shè)計(jì)者的噪聲性能要求，并預(yù)測(cè)接收器系統(tǒng)的整體靈敏度。
本教程討論現(xiàn)代無(wú)線電接收器中的噪聲系數(shù)。它討論了接收器系統(tǒng)中影響噪聲系數(shù)的常見(jiàn)因素以及有助于實(shí)現(xiàn)所需測(cè)量的數(shù)學(xué)方法。探討了無(wú)線電接收器的不同部分，并重點(diǎn)關(guān)注每個(gè)部分的 NF 分析。
噪聲系數(shù)的一般概念已被系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)人員很好地理解并廣泛使用。特別是，它用于傳達(dá)產(chǎn)品定義者和電路設(shè)計(jì)者的噪聲性能要求，并預(yù)測(cè)接收器系統(tǒng)的整體靈敏度。
當(dāng)混頻器是信號(hào)鏈的一部分時(shí)，噪聲系數(shù)分析的主要困難就會(huì)出現(xiàn)。所有實(shí)際混頻器都會(huì)圍繞本地振蕩器 (LO) 頻率折疊 RF 頻譜，根據(jù) fOUT = |fRF – fLO| 創(chuàng)建包含兩側(cè)頻譜總和的輸出。在外差架構(gòu)中，這些貢獻(xiàn)之一通常被認(rèn)為是虛假的，而另一個(gè)則被認(rèn)為是有意的。因此，圖像拒絕過(guò)濾或圖像消除方案可能被用來(lái)很大程度上消除這些響應(yīng)之一。在直接轉(zhuǎn)換接收器中，情況有所不同；兩個(gè)邊帶（高于和低于 fRF = fLO）均被轉(zhuǎn)換并用于所需信號(hào)。因此，這確實(shí)是混頻器的雙邊帶 (DSB) 應(yīng)用。
工業(yè)界常用的各種定義在不同程度上解釋了噪聲折疊。例如，傳統(tǒng)的單邊帶噪聲系數(shù) FSSB 假設(shè)來(lái)自兩個(gè)邊帶的噪聲都可以折疊到輸出信號(hào)中。然而，只有一個(gè)邊帶可用于傳送所需信號(hào)。假設(shè)兩個(gè)響應(yīng)的轉(zhuǎn)換增益相等，這自然會(huì)導(dǎo)致噪聲系數(shù)增加 3dB。相反，DSB 噪聲系數(shù)假設(shè)混頻器的兩個(gè)響應(yīng)都包含部分有用信號(hào)，因此噪聲折疊（以及相應(yīng)的信號(hào)折疊）不會(huì)影響噪聲系數(shù)。DSB 噪聲系數(shù)可應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)換接收器以及射電天文接收器。然而，更深入的分析表明，設(shè)計(jì)人員僅僅為給定應(yīng)用選擇正確的噪聲系數(shù)“風(fēng)格”，然后代入標(biāo)準(zhǔn) Friis 方程中的相應(yīng)數(shù)字是不夠的。這樣做可能會(huì)導(dǎo)致分析出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，當(dāng)混頻器或混頻器后面的組件在確定系統(tǒng)噪聲系數(shù)方面發(fā)揮著不可忽視的作用時(shí)，這種情況可能尤其嚴(yán)重。
混頻器噪聲的概念模型
可視化混頻器噪聲貢獻(xiàn)的一種方法是考慮混頻器的概念模型（圖 1）。該模型基于 Agilent Genesys 仿真程序提供的模型。
在此模型中，輸入信號(hào)被分成兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)路徑，一個(gè)代表高于 LO 的 RF 頻率，另一個(gè)代表低于 LO 的頻率。每條路徑都經(jīng)過(guò)混頻器中獨(dú)立的加性噪聲??處理，并且應(yīng)用獨(dú)立量的轉(zhuǎn)換增益。，這兩個(gè)路徑被轉(zhuǎn)換為 IF 頻率，并與混頻器輸出級(jí)中可能出現(xiàn)的進(jìn)一步噪聲貢獻(xiàn)相加地組合。有用頻段和鏡像頻段的單位帶寬自噪聲功率可能不同；相應(yīng)的轉(zhuǎn)換增益也可能不同。
為了方便起見(jiàn)，我們可以將所有噪聲源引用到輸出，并將它們收集在全局噪聲項(xiàng) NA 中，表示混頻器輸出端口可用的每單位帶寬的總附加噪聲功率。
NA = NSGS + NIGI + NIF
請(qǐng)注意，NA 根本不依賴于混頻器輸入端口是否存在信號(hào)。
總結(jié)了混頻器的內(nèi)部噪聲源后，我們現(xiàn)在轉(zhuǎn)向源終端產(chǎn)生的噪聲（圖 2）。我們確定了兩個(gè)離散噪聲源，分別表示由于所需頻率和圖像頻率處的源終端而產(chǎn)生的輸入噪聲密度。我們必須將這些作為獨(dú)立的量來(lái)考慮，因?yàn)閼?yīng)用電路可能會(huì)導(dǎo)致其中一個(gè)衰減，而另一個(gè)以低損耗傳輸?shù)交祛l器的射頻輸入端口。如果圖像和所需的 RF 頻率很好地分離并且采用頻率選擇性匹配，情況很可能就是這樣。
在寬帶匹配的情況下，我們可以寫(xiě)成 NOUT = NA + kT0GS + kT0GI。然而，在與所需 RF 頻率下的混頻器進(jìn)行高 Q 值、頻率選擇性匹配的情況下，由于鏡像頻率處的源終端而產(chǎn)生的輸出噪聲可能可以忽略不計(jì)，從而導(dǎo)致 NOUT = NA + kT0GS。一般來(lái)說(shuō)，我們可以為混頻器輸入端口在鏡像頻率下可用的輸入源終端噪聲功率的有效分?jǐn)?shù)分配一個(gè)系數(shù)α。因此，NOUT = NA + kT0GS + αkT0GI，其中 α 是 0 ≤ α ≤ 1 范圍內(nèi)的特定于應(yīng)用的系數(shù)。稍后我們將看到應(yīng)用中的有效噪聲系數(shù)取決于 α 的值。
外差接收器
我們可以通過(guò)圖 3 中的示例了解如何在更大的級(jí)聯(lián)分析中應(yīng)用有效噪聲系數(shù)。為了計(jì)算整個(gè)鏈的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)，我們需要將混頻器及其相關(guān)的 LO 和鏡像抑制濾波封裝為具有特定增益和噪聲系數(shù)的等效雙端口網(wǎng)絡(luò)。該二端口網(wǎng)絡(luò)的有效噪聲系數(shù)為 FSSBe = 2(FDSB – 1) + 1，因?yàn)閳D像頻率處的終端噪聲被前面的濾波器很好地抑制了。
相鄰系統(tǒng)塊背景下的外差混頻器。
請(qǐng)注意，適用的噪聲系數(shù)既不是混頻器的 DSB 噪聲系數(shù)，也不是混頻器的 SSB 噪聲系數(shù)。相反，它是介于這兩個(gè)值之間的有效噪聲系數(shù)。在 DSB 噪聲系數(shù)為 3dB 的情況下，可以計(jì)算出二端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲系數(shù)為 4.757dB，如上所述。在整個(gè)級(jí)聯(lián)計(jì)算中使用該值，系統(tǒng)噪聲系數(shù)為 7.281dB，如下表所示。手動(dòng)計(jì)算表明，該結(jié)果與使用 4.757dB 混頻器噪聲系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn) Friis 方程一致。
系統(tǒng)中外差混頻器的模擬級(jí)聯(lián)性能
一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)用等效的二端口網(wǎng)絡(luò)替換混頻器及其相鄰組件時(shí)，輸入端口應(yīng)該是信號(hào)流中鏡像響應(yīng)被拒絕的節(jié)點(diǎn)。輸出端口應(yīng)該是圖像和所需響應(yīng)組合在一起的早節(jié)點(diǎn)（通常是混頻器的輸出端口）。如果混頻器的鏡像響應(yīng)沒(méi)有被架構(gòu)有效地抑制，那么弗里斯方程就不能在不修改的情況下使用。
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