12-2012

Messtechnik
Rauschanalyse an der Signalkette
eines HF-zu-Digital-Empfängers
Bild 1: Block-Diagramm der
vereinfachten Signalkette mit den HF-
Komponenten (Mischer, LNA, usw.), ZF/
Basisband-Komponenten (dargestellt
durch einen einfachen Verstärker) und
einem ADC. Der Eingangswiderstand des
Verstärkers dient als Abschluss für die
50-?-HF Sektion. In jeder Sektion wird
ein passendes Bauteil empfohlen.
Autor:
Cheng-Wie Pei
Design Note 439
Linear-Technology
www.linear.com
Designer von Empfangssystemen sehen oft
die Notwendigkeit, eine Systemanalyse des
Signalweges von der Antenne bis zum ADC
durchzuführen. Dabei ist das Rauschen ein
kritischer Parameter in der Signalkettenanalyse,
da es die Gesamtempfindlichkeit
des Empfängers limitiert. Die Rauschanforderungen
einer Applikation haben einen
wesentlichen Einfluss auf die Systemtopologie,
da ihre Wahl das Gesamt-Signal-zu-
Rauschverhältnis beeinflusst ebenso wie den
Dynamikbereich sowie weitere Parameter.
Ein Problem bei der Rauschberechnung hat
zu tun mit den unterschiedlichen Rechen-
Einheiten bei den eingesetzten Komponenten
der Signalkette, hauptsächlich der HF-Stufe,
von ZF/Basisband-Stufen und der digitalen
(ADC) Sektion der Schaltung.
Bild 1 zeigt das Blockschaltbild der vereinfachten
Signalkette mit den HF-Komponenten
(Mischer, LNA, usw.), ZF/Basisband
Komponenten (dargestellt durch einen
einfachen Verstärker) und einem ADC. Die
HF Sektion, welche die Mischstufe oder den
Demodulator enthält, wird gewöhnlich durch
die Rauschzahl (engl. Noise Figure = NF)
in Dezibel (dB) beschrieben. Es kann aber
auch die spektrale Leistungsdichte dafür verwendet
werden, die im Prinzip der NF entspricht
(z.B. ist –160 dBm/Hz gleich einer
NF von etwa 14 dB), deswegen verwenden
wir die NF als Rechengröße. Arbeitet man
mit festen Impedanzen von 50 Ohm vereinfacht
die Verwendung der NF die Analyse
der HF-Signalkette.
Wenn jedoch die Annahme einer konstanten
Impedanz und eines korrekten Abschlusses
an Quelle und Last nicht stimmt, dann ist
die Verwendung der NF-Kalkulation weniger
eindeutig.
ZF/Basisband Komponenten wie Verstärker
werden typischerweise mit der spektralen
Rauschdichte beschrieben, die gewöhnlich
in Volt und Ampere pro Wurzel aus Hertz
definiert ist (nV/ und pA/ ). Der
Beitrag des Stromrauschens (pA/ ) ist
gewöhnlich in Schaltungen niedriger Impedanz
vernachlässigbar. Rauschen des ADC
ist primär spezifiziert durch das Signal-zu-
Rausch-Verhältnis (SNR) in Dezibel. SNR
ist das Verhältnis des maximalen Eingangssignals
zu dem gesamten integrierten Eingangsrauschen
des ADC. Um eine komplette
Analyse der Signalkette durchzuführen muss
der Designer in der Lage sein zwischen NF,
Rauschdichte und SNR umzurechnen.
Umrechnung NF zu SNR: Wie ist
die Auflösung des ADC?
Die erste Umrechnung betrifft die zwischen
HF-Sektion und der nachfolgenden ZF/
Basisband-Stufe. Die NF ist die angebrachte
Größe, setzt aber konstante Systemimpedanz
voraus. Da die Rauschdichte unabhängig
von der Impedanz ist, macht die Umrechnung
von NF auf nV/ Sinn, da beim
Übergang von der HF auf das Basisband die
konstante 50-Ohm-Umgebung nicht mehr
vorhanden ist (Punkt 1 in Bild 1).
Am Punkt 1 ist die Rauschspannungsdichte
des HF-Teils der Signalkette wie folgt:
20 hf-praxis 12/2012