Efeito do filtro de supressão de imagem no ruído de saída do front-end de recepção de RF

O circuito de recepção de RF inclui LNA, filtro, misturador e outros componentes. Do ponto de vista da cascata de ruído, espera-se que o primeiro estágio do enlace de recepção seja um amplificador de alto ganho e baixo fator de ruído, a fim de obter um fator de ruído do sistema mais baixo e melhorar a sensibilidade de recepção.Além do LNA, o enlace de recepção também possui um componente fundamental: o filtro de supressão de imagem, localizado antes do Mixer, que filtra ruídos e sinais de imagem para melhorar a relação sinal-ruído (SNR) e a capacidade de reduzir interferências de imagem em todo o enlace de recepção.

A seguir, descreveremos em detalhes o impacto da introdução de um filtro de supressão de imagem no nível de ruído do sistema por meio da derivação de fórmulas.

1. Existe um filtro de supressão de imagem.

A Figura 1 mostra uma cadeia de recepção de RF simplificada, incluindo LNA, filtro e misturador. Assumindo que o filtro de supressão de imagem seja ideal, ou seja, que a perda de inserção seja 0 dB e a supressão fora da banda seja infinita, o ruído da imagem pode ser completamente suprimido. Considere que a temperatura ambiente seja T.0=290K, link de recepção terminado com carga de 50 Ohm, GAe FAsão, respectivamente, o ganho e o fator de ruído do LNA, GMe FMsão o ganho e o fator de ruído do Mixer, respectivamente.

Figura 1. Front-end de recepção de RF simplificado: com filtro de rejeição de imagem

A potência de ruído de entrada do circuito de recepção é Nin=kBT0, a potência total de ruído de saída é

 (Fórmula 1)

 (Fórmula 2)

Do ponto de vista do enlace em cascata do sistema, o fator de ruído e o ganho total de todo o enlace de recepção são, respectivamente,

(Fórmula 3)

Como a temperatura ambiente atual é de 290K, a potência total de ruído de saída neste momento é

 (式4)

As equações 2 e 4 são consistentes. Este é o processo de cálculo do nível de ruído de todo o enlace de recepção quando há um filtro de supressão de imagem.

2. Sem filtro de supressão de imagem

A Figura 2 mostra um circuito de recepção de RF simplificado, sem filtro de supressão de imagem. Devido às características de operação do misturador, quando o enlace de recepção está em funcionamento, não apenas o ruído na faixa de frequência operacional esperada será convertido para a frequência intermediária, mas também o ruído na faixa de frequência da imagem. Isso fará com que a potência de ruído emitida pelo sistema seja duplicada em comparação com a situação em que o sistema possui um filtro de supressão de imagem.

Figura 2. Front-end de recepção de RF simplificado: sem filtro de rejeição de imagem.

Suponha que a perda de conversão de frequência do Mixer na banda de frequência da imagem seja, o ganho e o fator de ruído do LNA na banda de frequência da imagem são respectivamenteeAqui, considera-se apenas o caso mais simples, e a subsequente derivação e análise da fórmula serão baseadas nas seguintes premissas:

 (式5)

A potência total de ruído de saída de toda a cadeia de recepção é

 (式6)

Substitua a equação 5 na equação acima para obter

(Fórmula 7)

É possível obter uma simplificação adicional da fórmula acima.

 (式8)

Do ponto de vista do enlace em cascata do sistema, o fator de ruído e o ganho total de todo o enlace de recepção são, respectivamente,

 (式9)

Vale mencionar que, como não há filtro de supressão de imagem, no caso do Mixer, a potência de ruído alimentada no LNA do estágio anterior é o dobro daquela com um filtro de supressão de imagem. Portanto, a equação acima precisa ser ajustada. Ela pode ser equivalente ao seguinte diagrama de blocos estrutural com um filtro de supressão de imagem.

Figura 3. Diagrama de blocos estruturais equivalente com filtro de supressão de imagem

A figura acima iguala o fator de ruído do LNA a 2F.A, o ganho permanece inalterado; o ganho do LNA também pode ser equivalente a 2GA, o fator de ruído permanece inalterado. Por simplicidade, ainda se assume que o filtro de rejeição de imagem é ideal.

Neste momento, o fator de ruído total e o ganho de todo o enlace de recepção são, respectivamente,

 (式10)

Então, a potência de ruído de saída de todo o enlace de recepção é

 (式11)

As equações 11 e 8 são consistentes. Se o ganho do LNA for equivalente a 2GASe o fator de ruído permanecer inalterado, o fator de ruído total e o ganho de todo o enlace de recepção serão, respectivamente,

 (式12)

Então, a potência de ruído de saída de todo o enlace de recepção é

(Fórmula 13)

As equações 13 e 8 são consistentes. Este é o processo de cálculo do nível de ruído de toda a cadeia de recepção quando não há filtro de supressão de imagem.

Em conclusão:Comparando o nível de ruído na presença e na ausência do filtro de supressão de imagem, podemos observar, pelas Equações 4 e 8, que se o ganho do LNA for muito alto, o nível de ruído sem o filtro de supressão de imagem será quase o dobro do nível de ruído com o filtro de supressão de imagem. Comparando a Equação 3 com a Equação 10, podemos ver que, quando o ganho do LNA é muito alto, o fator de ruído total sem o filtro de supressão de imagem será quase o dobro do fator de ruído total com o filtro de supressão de imagem.

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