射频发射链路宽带噪声和相噪估算[20250125]

频微波信号发射通道，包括频综信号源、衰减器、放大器、滤波器、耦合器等元器件构成，这些器件产生的宽带噪声，对发射信号的指标造成影响。本文讨论信号源或发射机有用信号之外的宽带噪声估算方法，以及宽带噪声对相噪指标的恶化估算。

放大器与衰减器

放大器是将输入信号功率按照预设比例放大的装置，增益GAIN代表线性放大比例，对数增益G=10lg(GAIN)。放大器是非理想有源器件，在放大信号的同时放大热噪声N0，并且会附加额外的噪声（噪声系数NF），是信号源以外发射链路噪声的主要来源。
衰减器与放大器作用相反，是将输入信号功率按照预设比例减小的装置，对数衰减A_dB=10lgA，衰减量是增益的倒数A=1/G，对数衰减是负的对数增益。衰减器在衰减信号的同时等比例衰减噪声功率，但是衰减后的噪声功率不能小于热噪声N0。衰减器不会产生噪声，但是会减小放大器的增益。
热噪声

电子学热噪声是最基本的一种噪声，是由电子的热运动产生的。现实中的所有器件，都会产生热噪声。热噪声的功率谱密度不随频率变化，是白噪声，服从高斯概率密度分布，又称为高斯白噪声。290K（16.85℃）常温噪声功率谱密度（1Hz内功率）
kT0=-174dBm/Hz
相噪和附加相噪

相位噪声，简称相噪，是评价射频微波信号源的一个重要指标，相噪 ??(??)=1/2?Sφ(f)体现射频信号相位的随机变化噪声，指标量值的表达方法：在载波频率的指定频率偏移处dBc/Hz。例如这样表述：载波1GHz，相噪 -120dBc/Hz @ 10kHz偏移。附加相位噪声（additive phase noise）也叫剩余相位噪声（residual phase noise）。当信号通过放大器时，噪声以线性叠加到信号上，从而对信号的整体相位噪声造成恶化。放大器指标手册中很少给出附加相噪指标，从噪声系数指标NF可以推算放大器的附加相噪：PHN_add(dBc/Hz) = -177+NF-Pin
如果放大器附加相噪比链路起始频综源相噪指标低10dB以上，则认为对相噪指标无影响。【例1】放大器增益G=20dB噪声系数NF=5dB，设频综源某点相噪指标 -120dBc/Hz，放大器输入信号功率Pin=-20dBm，估算宽带噪声对相噪影响
【解】
放大器附加相噪
PN_add = -177+NF-Pin
    =-177+5+20
    =-152dBc/Hz
综合叠加-152dBc/Hz与-120dBc/Hz
相噪
PNout=-120dBc/Hz
与频综源初始相噪指标接近没有恶化。
宽带噪声
宽带噪声，是在常温热噪声基础上放大和叠加的，有源器件产生的噪声。射频链路中，链路的宽带噪声分析，主要是分析链路中放大器和衰减器对噪声功率的影响。
以下案例，对于3级衰减+放大链路的宽带噪声进行分析，每级放大之前有衰减器，用来调节电平和匹配。【例2】设频综源功率P0=8dBm，三个放大器增益12dB/15dB/30dB，噪声系数2dB/3dB/5dB，四个衰减器分别30dB/20dB/3dB信号功率：
P = P0-A1+G1-A2+G2-A3+G3
=8-30+12-20+15-3+30=12 dBm
噪声系数附加的宽带噪声：
N1=-174+2=-172dBmN2=-174+3=-171dBmN2=-174+5=-169dBm
N=N1+N2+N3=-166dBm宽带噪声：Na = N0-A1+G1-A2+G2-A3+G3=-174-30+12-20+15-3+30= -170dBm (与-166dBm叠加)Nout= -165dBm/Hz... ...

错误

正确结果应当认为低于-174dBm的前两级衰减和放大输出等于-174dBm，因此，实际链路宽带噪声
Na = (-174+15-3+30)dBm(与-166dBm叠加)Nout= -132dBm/Hz
PCB泄漏耦合噪声

如果PCB布线和屏蔽措施不合理，或器件本身问题，射频PCB上有源器件芯片产生的宽带噪声，可能通过PCB射频地或其它途径泄漏耦合到下级器件微带线输入端，造成链路输出宽带噪声过高，以及相噪指标的恶化。
如果放大器输入端泄漏噪声与输入信号功率的载噪比，优于链路起始频综源相噪指标10dB以上，则认为对相噪指标无影响。
为避免泄漏噪声影响相噪指标，尽量在放大器线性区保证足够大的输入功率。如果输入功率低，泄漏噪声功率可能高于相噪功率，造成相噪指标恶化，这也解释了一种现象：当增大链路中的衰减量时，信号功率减小的同时相噪指标恶化变差的原因。
通过调节链路中的衰减量使信号功率减小，同时观测相噪指标，如果相噪恶化变差，则说明PCB射频电路布线和屏蔽措施有待改善。
以下案例分析了泄漏耦合宽带噪声引起的相噪指标恶化：
【例3】链路末级放大器增益G=20dB，输入信号某点相噪指标PN= -120dBc/Hz，放大器输入信号功率Pin=-20dBm，链路泄漏耦合噪声在放大器输入端微带线上功率-132dBm/Hz，估算泄漏耦合噪声对相噪影响；如果Pin=0dBm，再次估算相噪影响。
【解】
当放大器输入信号功率
Pin=-20dBm
泄漏耦合宽带噪声
WN=-132-Pin=-112dBc/Hz
综合叠加 -120dBc/Hz与-112dBc/Hz
相噪
PNout = -111dBc/Hz比初始相噪指标恶化9dB；当放大器输入信号功率Pin=0dBm泄漏耦合噪声WN=-132-Pin=-132dBc/Hz
综合叠加-120dBc/Hz与-130dBc/Hz相噪PNout = -120dBc/Hz基本保持原相噪指标



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