求助信号经过LNA后信噪比会降低么？

wahaha395 · 发表于 2014-3-7 22:18:37

没有理想的 SIN X/X函数的器件，所以一定会有噪声。

criterion · 发表于 2014-3-29 20:48:28

wahaha395 发表于 2014-3-7 22:18
没有理想的 SIN X/X函数的器件，所以一定会有噪声。

下图是Noise Figure跟Noise Factor的定义

由上图可知  Noise Factor是大于等于1
也就是说  输出端的SNR  在最理想情况下
顶多是跟输入端一样再怎样都不会比输入端大
这也合理啦所谓Noise Figure，
衡量的是当一个讯号进入一个系统时，其输出讯号的SNR下降多寡，
亦即其噪声对系统的危害程度
所以即便是Noise-less的系统  SNR不下降就谢天谢地了
不太可能SNR还有所提升

因此  当增益压缩不存在时亦即输入讯号在LNA的线性范围内时
原则上其讯号跟噪声的放大倍数一样
也就是SNR是不变的
最终输出SNR之所以会变小是来自于LNA自身的Additive Noise
使得Noise Floor上升  SNR下降如下图

所以为什么Tx要用PA ?  因为Tx端对功率要求高
其放大器的放大倍数要大
才有足够能量将讯号传送至天线  并使之辐射出去
为什么Rx要用LNA ? 因为Rx端对SNR要求高
当然是希望其放大器的Additive Noise越小越好所以才叫Low Noise Amplifier
若Tx端用LNA  那放大倍数不够  便无足够能量将讯号传送至天线
反之若Rx用PA  其Additive Noise会非常非常大
最终输出端SNR 铁定比输入端小很多
而且也会因放大倍数太大使后端Mixer饱和
那么整个接收端的灵敏度跟线性度都会变差

那如果存在增益压缩呢? 那就是SNR会降更多
当输入讯号过大时，会使LNA饱和，导致Gain下降，

当然  Gain下降  顶多是讯号跟噪声的放大倍数同时下降
理论上SNR不变然而若LNA饱和  其Noise Floor会上升更多
亦即Additive Noise会比没饱和时更大
所以其输出端SNR 会比没饱和时更小  亦即SNR会降更多

若LNA的Gain降为零，即输入讯号经过LNA时，完全不会被放大，
则有可能完全被Noise Floor淹没，此时SNR便降为0

而由以上可知  即便讯号经过放大器其SNR都会降低
更不要说无放大作用的组件不管是有源还是无源
那怕是滤波器也一样  因为滤波器只能砍带外噪声  不能砍带内噪声

而接收机整体的Noise Figure，公式如下 :

因此我们得出一个结论
讯号经过任何组件其SNR就是会下降
经过的电路越多，SNR下降越多，所以电路结构越简单越好

但是  如楼主所问
若接收机的输出端的信噪比比输入端的信噪比还要低，
这样是否有点失去了当初做接收机的意义?
这分两部份探讨一个是LNA的存在意义
下图是零中频接收机的架构图

因为零中频架构，会直接将接收的射频讯号，透过ADC (Analog Digital Converter) 转换成数字讯号。
射频前端要有足够的Gain，才有足够能力去驱动ADC，
否则会无法解调，导致SNR下降。
所以前述提到既然讯号经过LNA  SNR会下降
可否不要加?  答案是不行
不加的话其讯号将无足够能力驱动ADC
无法解调  其SNR反而更差  所以LNA是一定要存在  讯号才有足够能量驱动ADC

再者由前述迭加的Noise Figure公式可知
真正对整体接收机影响最大的其实是LNA前端的Noise Figure

也就是天线到LNA，
包含ASM、SAW Filter、以及接收路径走线，
这三者的Loss总和，对于接收机整体的Noise Figure，有最大影响，
因为若这边的Loss多1 dB，则接收机整体的Noise Figure，就是直接增加1 dB

至于LNA 由公式可知分母有Gain
换言之假设LNA的Noise Figure为3 Gain为10
那么LNA对整体接收机Noise Figure的贡献也才3/10 = 0.3罢了
所以LNA对整体接收机Noise Figure的劣化其实是微乎其微的
不用一直太关注其LNA所造成的SNR下降

再以灵敏度公式的角度而言

Noise Figure  也只是其中一个因素
Noise Figure大  那就是灵敏度较差  如是而已
不需因为Noise Figure  而全盘否决接收机的意义

至于2楼大侠所提
『将很宽的频率范围都变频道基带。』
『将很大的功率方位压缩到AD便于处理的一个范围。』
第一个就是Mixer的功用呀降频成基频讯号才能做DSP解调运算
第二个的话牵扯到AGC机制以手机为例

消费者在使用手机时，很可能会因为处于移动状态，导致与基地台间的Path loss一直更动，
加上附近周遭环境的Shadowing effect，导致手机所接收的讯号强弱不一。
也就是LNA的输入讯号强度，会有很大范围的变动。

由上式知当LNA的输入讯号不固定时，若Gain为单一固定值，则输出讯号也会不固定。
很可能当输入讯号过大时，后端电路饱和，线性度下降。或输入讯号过小时，后端电路SNR下降，Noise Figure上升。
因此要有AGC ( Automatic gain control )的机制，
如此即便输入讯号的动态范围过大，也能尽可能缩减输出讯号的动态范围，使整体电路的Noise Figure与线性度优化。
因此GSM的LNA，多半采用Gain-stepped架构，其Gain皆非单一固定值，即VGA(Variable gain amplifier) 架构，如下图 :

以高通的RTR6285A为例，因为采用零中频架构，会直接将接收的射频讯号，透过ADC (Analog Digital Converter) 转换成数字讯号。
前述提到射频前端要有足够的Gain，才有足够能力去驱动ADC，否则会无法解调，导致SNR下降。
但若Gain过大，会使后端电路饱和，导致Noise Floor上升，一样会使SNR下降。
因此以灵敏度的角度而言，之所以希望透过AGC机制，以及VGA，来缩减LNA输出讯号的动态范围，
主要便是希望ADC的输入讯号，其强度大小能适中，
使讯号在解调时，不会因讯号过小而导致SNR下降，也不会因讯号过大，使后端电路饱和，Noise Floor上升，而导致SNR下降。

gook2009 · 发表于 2014-4-11 16:51:58

对楼上criterion佩服之情如滔滔江水连绵不绝，又如黄河泛滥一发不可收拾。什么问题都能用严谨的理论解释。
[em08][em08][em08][em08][em08][em08][em08][em08][em08][em08][em08][em08][em08]

gook2009 · 发表于 2014-4-11 17:32:21

本帖最后由 gook2009 于 2014-4-16 20:25 编辑

[quote]criterion 发表于 2014-3-29 20:48
下图是Noise Figure跟Noise Factor的定义

nighteve1987 · 发表于 2014-5-7 09:55:27

来一句看到的级联噪声系数中推导的一句话：任何放大器都是放大了噪声和信号（其实就是乘上了Gain）然后在输出端口引入放大器自身的噪声。所以信噪比肯定是恶化的。公式就是Sig*G/(Nin*G+NF)<Sig/Nin。不服的话再来讨论。好喜欢一群人盯着一个问题较劲的赶脚。真理越辩越明！知识万岁。。。。。。

loge_2009 · 发表于 2014-10-8 18:22:15

LNA的NF一般为0.5-0.6dB

galian1983 · 发表于 2015-8-6 13:13:58

CRITERION~~我的偶像！！

ly3291807 · 发表于 2015-9-2 14:23:53

criterion 发表于 2014-3-29 20:48
下图是Noise Figure跟Noise Factor的定义

请教一下,GPS链路中有外部LNA的参考设计。

其实tracsceiver 内部自带LNA

相对来说GPS链路中，外部LNA是处于NF公式前级。此处的LNA有什么必要？

Onepiece · 发表于 2015-11-25 02:48:34

Mark 接着学习

CharlesShi · 发表于 2016-6-16 13:05:40

加油加油加油

louis515 · 发表于 2016-12-8 10:52:07

jjxyym 发表于 2011-5-27 16:44
会降低；
LNA存在意义是降低下一级Noise figure更高的AMP对信号的影响；如果下一级的AMP的Noise Figure已 ...

对的，同意这个观点，信号经过器件SNR肯定降低

24lv25 · 发表于 2017-1-10 17:10:30

来学习

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