Влияние шума на радиочастотные сигналы для разных архитектур приемников
Недавние достижения в высокопроизводительных радиочастотных (RF) преобразователях данных позволяют проводить прямую радиочастотную дискретизацию до 4 ГГц и более, без значительного снижения производительности.
L-диапазон (1-2 ГГц) и S-диапазон (2-4 ГГц) традиционно используются либо как прямой вход, либо как промежуточная частота (ПЧ) при понижающем преобразовании с более высокой частоты радиочастот (например, в радиолокаторе Ku-диапазона, для пример). Вместо того, чтобы проектировать гетеродинный приемник для отбора этих полос на более низкой частоте, разработчики системы стремятся упростить свою цепочку сигналов приемника, используя аналоговый аналоговый преобразователь с прямым аналоговым преобразователем (АЦП), что приводит к уменьшению размера, веса и мощности.
Частота фазового шума часов является ключевым параметром для общей производительности приемника - как для традиционного гетеродинного приемника, так и для прямой реализации выборки RF. Во время условия блокировки с внутриполосным помехами характеристики фазового шума в такт определяют минимальную мощность сигнала обнаружения. В радиолокационных системах производительность при близком фазовом шуме приемника напрямую влияет на точность скорости и направления цели.
Поскольку тактовая частота дискретизации преобразователя данных является критическим элементом в прямом радиочастотном приемнике (и меня часто спрашивают об этом), в этой статье я рассмотрю общее предположение о том, что требование производительности часов для АЦП выборки RF более строгие по сравнению с гетеродинным подходом.
Приемник гетеродин
Традиционный приемник с понижающим преобразованием (гетеродин) использует микшер вместе с локальным генератором (LO) для сдвига частоты входного радиочастотного сигнала на более низкий ПЧ, который преобразователь данных оцифровывает (см. Рис. 1).
Рисунок 1. Подход гетеродинного приемника
Операция смешивания представляет собой свертку LO и вход RF в частотной области (умножение во временной области). В результате смешивания фазовый шум от LO добавляется к входному сигналу и увеличивает общий уровень шума. Это обычно называют обратным смешиванием.
Во время процесса выборки АЦП фазовый шум тактовой частоты, который включает в себя джиттер апертуры АЦП и внешний фазовый шум, также добавляется к входному сигналу ПЧ. Тем не менее, амплитуды амплитуд фазового шума тактового генератора основаны на зависимости между входной и тактовой частотой $$ \ text {20Log} left ( frac { text {IF}} { text {CLK}} right) $ $. Кроме того, вам необходимо также учитывать потребности в тепловом шуме АЦП.
Уравнение 1 вычисляет результирующую амплитуду фазового шума дискретизированного ПЧ-сигнала:
$$ \ text {P} {{ text {N}} _ { text {IF}}} text {= 20Log} left ( sqrt { text {PN} _ { text {LO}} ^ { text {2}} text {+ PN} _ { text {ADC} ! \! \ _ \! \! \ text {PN}} ^ { text {2}} text {+ PN} _ { text {ADC} ! \! \ _ \! \! \ text {THERMAL}} ^ { text {2}}} right) $$
Уравнение 1
где $$ ( text {P} {{ text {N}} _ { text {ADC} ! \! \ _ \! \! \ text {PN}}} text {= P} {{ text {N}} _ { text {CLK}}} text {} ! \! \ times \! \! \ text {20LOG} ! \! ~ \! \! \ text {} left ( frac { text {IF}} { text {CLK}} right) $$ и PN CLK - это комбинация внешнего тактового фазового шума и внутреннего апертурного диафрагмы АЦП (фазовый шум). Оба компонента испытывают масштабное масштабирование 20LOG (IF / CLK).
Приемник выборки RF
В современной архитектуре приемника АЦП с дискретизацией RF оцифровывает входной сигнал непосредственно на радиочастотном уровне без использования стадии понижающего преобразования, как показано на рисунке 2. Удаление стадии понижающего преобразования может значительно упростить цепочку сигналов приемника и сэкономить мощность, стоимость и распечатку (печатной платы).
Рисунок 2. Прямая выборка RF-выборки
Как показано ранее, амплитуда джиттера апертуры АЦП и тактовых фазовых шумов сначала масштабируется с помощью $$ \ text {P} {{ text {N}} _ { text {CLK}}} $$, прежде чем добавлять к входному сигналу вместе с тепловым шумом АЦП (уравнение 2):
$$ \ text {P} {{ text {N}} _ { text {RF}}} text {= 20Log} left ( sqrt { text {PN} _ { text {ADC} ! \! \ _ \! \! \ text {PN}} ^ { text {2}} text {+ PN} _ { text {ADC} ! \! \ _ \! \! \ text {Thermal} } ^ { text {2}}} right) $$
Уравнение 2
где $$ \ text {P} {{ text {N}} _ { text {ADC} ! \! \ _ \! \! \ text {PN}}} text {= P} {{ text {N}} _ { text {CLK}}} text {} ! \! \ Times \! \! \ Text {20Log} left ( frac { text {RF}} { text {CLK} } right) $$ с PN CLK снова сочетанием внешнего тактового фазового шума и внутреннего джиттера апертуры АЦП (фазовый шум).
Предполагая эквивалентный тепловой шум (в децибелах относительно полной шкалы / герц) для преобразователей данных IF и RF, ухудшение шума приемника в конечном итоге сводится к LO и фазовому шуму синхронизации.
Чтобы лучше сравнить требования фазового шума тактового генератора для двух архитектур приемника, вы можете нормализовать фазовый шум источников частоты (LO, ADC CLK), выведя их из одного источника, как показано на рисунке 3. Например, LO на половине частоты источника будет иметь 6dB более низкий фазовый шум, чем сам источник. Чтобы все было просто, я выбрал ту же частоту радиочастот для источника частоты.
Рисунок 3. Получение источников частоты из одного и того же источника «RF»
Нормализация требований к фазовому фазовому шуму для приемника понижающего преобразования
Уравнение 3 вычисляет частоту локального генератора (LO) как:
$$ \ text {LO = RF-IF = RF} ! \! \ times \! \! \ text {(1-a)} $$
Уравнение 3
где $$ \ text {IF = a} ! \! \ times \! \! \ text {RF} $$.
Предполагая инъекцию смесителя с низкой стороны, уравнение 4 вычисляет фазовый шум LO от общего источника синхронизации в RF как:
$$ {текст} {Р { текст {N}} _ { текст {LO}}} {Текст = Р {} { текст {N}} _ { текст {РФ}}} {Текст { text {LO}} { text {RF}} right) text {= P} {{ text {N }} _ { text {RF}}} text {} ! \! \ times \! \! \ text {20Log} left ( text {1-a} right) $$
Уравнение 4
Уравнение 5 вычисляет фазовый шум дискретизированного выходного сигнала АЦП в зависимости от тактового фазового шума как:
$$ \ текст {P} {{ текст {N}} _ { текст {ADC}}} текст {= P} {{ текст {N}} _ { текст {CLK}}} {текст } ! \! \ times \! \! \ text {20Log} left ( frac { text {IF}} { text {CLK}} right) $$
Уравнение 5
Вы можете получить фазовый шум внешних часов дискретизации АЦП из общего источника радиочастотных часов с уравнениями 6 и 7 (без простоты апертурного дрожания):
$$ \ text {P} {{ text {N}} _ { text {CLK}}} text {= P} {{ text {N}} _ { text {RF}}} times \ text {20Log} left ( frac { text {CLK}} { text {RF}} right) $$
Уравнение 6
$$ \ text {P} {{ text {N}} _ { text {ADC}}} text {= P} {{ text {N}} _ { text {RF}}} times 2 \ text {0Log} left ( frac { text {IF}} { text {CLK}} right) times \ text {20Log} left ( frac { text {CLK}} { text { RF}} right) text {= P} {{ text {N}} _ { text {RF}}} times \ text {20Log} left ( frac { text {IF}} { text {RF}} right) text {= P} {{ text {N}} _ { text {RF}}} text {} ! \! ~ \! \! \ text {} times \ text {20Log} left ( text {a} right) $$
Уравнение 7
Объедините вкладыш фазового шума LO и ADC с использованием уравнения 8:
$$ \ begin {align} & \ text {P} {{ text {N}} _ { text {total}}} text {= 20Log} left ( sqrt { text {PN} _ { text {LO}} ^ { text {2}} text {+ PN} _ { text {ADC}} ^ { text {2}}} right) \ & \ text {= 20Log} left ( sqrt {{{ left { text {P} {{text {N}}} { text {RF}}} times \ left ( text {1-a} right) right)} ^ { text {2}}} text {+} {{ left { text {P} {{ text {N}}} { text {RF}}} times \ text {a}) right)} ^ { text {2}}}} right) \ & \ text {= P} {{ text {N}} _ { text {RF}}} text {} ! \! ~ \! \! \ text {} times \ text {10log} left ({{ left ( text {1-a} right)} ^ { text {2}}} text {+} { { text {a}} ^ { text {2}}} right) end {align} $$
Уравнение 8
Где $$ \ text {a =} frac { text {IF}} { text {RF}} $$.
Это показывает, что амплитуда фазового шума, который добавляется к входному сигналу, зависит от частоты ПЧ.
Предполагая, что ПЧ составляет ~ 10% от частоты радиочастоты (например, если IF = 180 МГц, RF = 1, 8 ГГц), фазовый шум LO, нормированный на частоту радиочастоты, изменяется на 20LOG (0, 9) = -0, 91 дБ, Это означает, что шум фазы LO улучшается на 0, 91 дБ. Временной фазовый шум АЦП изменяется на 20LOG (a = 10%) = -20 дБ. В результате добавленный фазовый шум дискретизированного сигнала примерно на 0, 86 дБ ниже, чем фазовый шум источника радиочастотных часов.
Джиттер диафрагмы АЦП, предполагая аналогичный уровень внешнего шума фазы фаз, оказал бы лишь незначительное влияние на общий результат.
Нормализация требований к шуму фазы фазы для АЦП РФ
Уравнение 9 вычисляет фазовый шум дискретизированного выходного сигнала АЦП в зависимости от тактового фазового шума:
$$ \ текст {P} {{ текст {N}} _ { текст {ADC}}} текст {= P} {{ текст {N}} _ { текст {CLK}}} {текст } ! \ text {} ! \ times \! \ text {} ! \ text {20log} left ( frac { text {RF}} { text {CLK}} right) $$
Уравнение 9
Вы можете получить фазовый шум для часов АЦП из общего источника радиочастотных часов с использованием уравнений 10 и 11:
$$ {текст} {Р { текст {N}} _ { текст {CLK}}} {Текст = Р {} { текст {N}} _ { текст {РФ}}} {Текст } ! \ text {} ! \ times \! \ text {} ! \ text {20log} left ( frac { text {CLK}} { text {RF}} right) $$
Уравнение 10
$$ P {{N} _ {ADC}} = P {{N} _ {RF}} ~ \ times ~ 20log \ left ( frac {RF} {CLK} right) times ~ 20log \ left ( frac {CLK} {RF} right) = P {{N} _ {RF}} $$
Уравнение 11
При нормализации к радиочастотной частоте изменения амплитуды вообще не происходит. Присадочный фазовый шум ВЧ-АЦП аналогичен фазовому шуму источника радиочастот. В отличие от гетеродинного приемника, апертурный джиттер радиочастотного АЦП может вызвать значительное ухудшение фазового шума.
Гетеродинный приемник показывает небольшое улучшение, которое зависит от частоты ПЧ. Чем больше частота ПЧ (в процентах от ВЧ-частоты), тем больше разница в нормализованных требованиях к фазовому шуму для двух случаев.
Таким образом, обе архитектуры фактически демонстрируют очень незначительные внешние требования фазового шума. Типичный прецедент с IF = 0, 1 x RF показывает только около 0, 9 дБ нормализованной релаксации фазового шума по сравнению с прямым подбором RF-выборки. Таким образом, требования к шумовому шуму для обеих архитектур довольно сопоставимы. Основное различие заключается в внутреннем джиттере диафрагмы АЦП, который становится более доминирующим по мере увеличения входной частоты RF.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.