計算ASK接收機(jī)的靈敏度

計算ASK接收機(jī)的靈敏度RFIC幅移鍵控(ASK)或者叫做開關(guān)鍵控(00K)接收機(jī)的靈敏度對于遠(yuǎn)程無線開門系統(tǒng)(RKE)、輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPM)、家庭自動化系統(tǒng)以及其它應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計者來說是一項重要的規(guī)范。這類接收機(jī)一般工作在315MHz或433MHz的頻段上，但是其電路對其它載波頻率也是適用的。了解這種接收機(jī)一些特性在理論上的極限值對RFIC用戶和設(shè)計者都是很重要的，因為這樣就能確定他們在設(shè)計上的改進(jìn)是不是成功的。本篇應(yīng)用筆記描述了一種在已知系統(tǒng)噪聲系數(shù)、IF帶寬和基帶帶寬的條件下一步一步的計算ASK接收機(jī)靈敏度的方法。結(jié)果表明，接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)放大器實現(xiàn)的對數(shù)幅度檢測在輸入SNR較低時降低了輸出信噪比(SNR)(門限效應(yīng))，而靈敏度的提高與IF帶寬與基帶帶寬之比的平方根成正比。大多數(shù)現(xiàn)代幅移鍵控(ASK)接收機(jī)利用將調(diào)制的RF信號直接的或者經(jīng)過一次或多次頻率變換后通過一個幅度檢測器對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。幅度檢測器基本上就是一個RF或IF放大器和一個RSSI(接收信號強(qiáng)度指示器)，RSSI的輸出與輸入RF或IF信號功率的對數(shù)成正比。因為RSSI檢測器是一個非線性的檢測器，它將改變輸入信號的信噪比(SNR)。ASK靈敏度計算的關(guān)鍵就在于RSSI檢測器的SNRout與SNRin關(guān)系曲線。一旦我們知道了SNR°ut與SNRin之間的關(guān)系，在已知噪聲系數(shù)、IF帶寬和數(shù)據(jù)速率的條件下可以通過如下步驟找出ASK靈敏度確定目標(biāo)BER(在本例中為10-3)所需的Eb/No,然后根據(jù)Eb/No用下面的等式計算SNR。SNR=(Eb/No)*(R/BBW)其中R是數(shù)據(jù)速率，BBW是數(shù)據(jù)濾波器的帶寬將上一步計算出來的SNR減去IF(預(yù)檢波)BW與數(shù)據(jù)濾波器BW之比的dB數(shù)。例如，如果IFBW為600KHZ數(shù)據(jù)濾波器BW為6kHz,這就意味著要從SNR中減去20dB。得到的結(jié)果就是RSSI檢測器輸出信號的SNR，這一信號還沒有被數(shù)據(jù)濾波器消除其高頻噪聲(假設(shè)這些噪聲占據(jù)了IFBW)。對于靈敏度來說，這一比例通常是以dB為單位的負(fù)值。用RSSI的SNR+與SNR關(guān)系曲線找出RF或IF放大器和RSSI檢測器輸入信號out in的SNR。實際上就是通過這條曲線用第二步計算中得到SNRout“反向”推導(dǎo)SNRin。使用接收機(jī)前端SNR公式找出接收機(jī)輸入端的信號水平。這就是靈敏度SS=(SNRin)*(kTBIFFS)其中kT是在290K的噪聲譜密度(-174dBm/Hz)，BIF是IF(預(yù)檢波)BW，F(xiàn)S是接收機(jī)系統(tǒng)(不僅僅是前端)的噪聲系數(shù)。因為RSSI檢測器是一個對數(shù)檢測器，輸入輸出SNR的關(guān)系可以用一種封閉的方式表示，盡管可能看起來有點兒亂。一篇發(fā)表在IEEE學(xué)報上比較老的關(guān)于航空與電子系統(tǒng)的文章［1］推導(dǎo)出了其表達(dá)式并畫出了SNRout與SNRin關(guān)系的曲線。這篇文章中的曲線非常小而且沒有足夠的網(wǎng)格線，但是可以在Excel表格中對表達(dá)式進(jìn)行分析計算并畫出更具體的曲線圖。這個曲線如下圖所示，它與簡單的SNRout=SNRin曲線（線性檢波）畫在一起作為對比。注意門限效應(yīng)。在兩條線3.7dB的SNR“交點〃以下，信號通過檢測器后SNR變差了。在這個點以上的部分，信號通過檢測器后SNR得到改善。1(：■.■：) 00 10.() 2D.0SNRIN(dB)圖1.另一張Excel電子表格將上述步驟1到步驟4與SNRoutvsSNRn關(guān)系曲線相結(jié)合進(jìn)行了如下圖所示的靈敏度計算。圖中曲線是在三個不同的IF帶寬條件下靈敏度與數(shù)據(jù)速率關(guān)系的曲線，噪聲系數(shù)取7dB。注意，靈敏度的改善是與IFBW或者數(shù)據(jù)速率的平方根成正比的。這是因為我們所計算的靈敏度處在RSSISNR曲線中SNR°ut比SNRin的斜率約為對數(shù)坐標(biāo)2的范圍內(nèi)（平方律關(guān)系）。這些曲線與精心設(shè)計的ASK接收機(jī)的實際情況是一致的。例如，數(shù)據(jù)速率為3kbps、IFBW為280kHz的時候，靈敏度為-114dBm。根據(jù)ASK接收機(jī)10-3BER的要求，在本計算中Eb/No取11dB。對于穩(wěn)定的CW信號，SNR的計算結(jié)果是12dB（因為數(shù)據(jù)的平均占空因數(shù)為50%，所以''峰值”Eb/N為14dB，比BBW與數(shù)據(jù)速率1.5:1的比例小大約2dB）。ASKSensitivityvs.DataRateforDifferentIFBW-1W-0-120-0-1D5-0-110_0-115-0110DataRateinkbps10D-1W-0-120-0-1D5-0-110_0-115-0110DataRateinkbps10DIFBW二@00kHz.NF=7dB■IFBW二230kHz.NF=7dBIFBW=150kHz.NF=7dB圖2.在此有必要指出所作的兩個假設(shè)：(1)RSSI檢測器輸出的噪聲帶寬與IF帶寬相同。(2)RSSI檢測器輸出的噪聲為高斯分布。實際上，RSSI檢測器的噪聲帶寬可能比IF帶寬大許多，可以通過增加系統(tǒng)的實際噪聲系數(shù)將這種情況計算在內(nèi)。輸出噪聲的分布也不是高斯的，所以完整徹底的分析需要計算出錯概率以得到RSSI輸出噪聲的精確分布。我們相信在給定BER的條件下Eb/No上的誤差是很小的，它不會改變下面列出的本文的基本結(jié)論。本