Моделируйте шумовую фигуру системы

RF приемников усиливать сигналы и переключать их на более низкие частоты. Приемник сам вводит шум, который ухудшает принимаемый сигнал. Отношение сигнал/шум (ОСШ) на выходе приемника в конечном счете определяет удобство использования приемника.

Предыдущий рисунок иллюстрирует эффект приемника на сигнал. Приемник усиливает РЧ сигнал малой мощности в несущей _fRF с высоким ОСШ и преобразует сигнал вниз в _fIF. Шумовой рисунок (NF) системы определяет различие между ОСШ на выходе и ОСШ на входе:

$S N R_{o u t} = S N R_{i n} - N F_{s y s}$

где различие вычисляется в децибелах. Чрезмерный рисунок шума в системе заставляет шум перегружать сигнал, делая сигнал невозвратным.

Создайте модель приемника Low-IF

Модель ex_simrf_snr моделирует упрощенную архитектуру приемника IF. Блок Sinusoid и блок Noise моделируют двухтональный вход с центром на _fRF и низкоуровневом тепловом шуме. РЧ-система усиливает сигнал и смешивает его с локальным генератором _fLO вниз до промежуточной частотной _fIF. Датчик напряжения восстанавливает сигнал на ПЧ.

Чтобы открыть эту модель, в MATLAB^® в командной строке введите:

addpath(fullfile(docroot,'toolbox','simrf','examples'))
ex_simrf_snr

Усилитель вносит 40 дБ усиления и 15-dB шума рисунок, а смеситель вносит 0 дБ усиления и 20-dB шума рисунка, которые являются значениями, характерными для относительно шумного приемника с высоким усилением. Двухтональный вход имеет заданный уровень 1 мкВ. Уровень 1-V в локальном генераторе обеспечивает согласованность с составом усилителя преобразования смесителя.

Чтобы запустить модель:

Откройте модель, щелкнув ссылку или введя имя модели в приглашении Командного окна.
Нажмите Run.

Настройка окружения RF Blockset

Чтобы максимизировать эффективность, параметры Fundamental tones и Harmonic order задают частоты симуляции явно в блоке Configuration:

_fLO частота LO на первой стадии смешивания равна 1,9999 ГГц. и появляется в списке основных тонов следующим образом carriers.LO.
_fRF несущая необходимого сигнала равна 2 ГГц и появляется в списке основных тонов следующим carriers.RF.
_fIF, промежуточная частота, равна _fRF - _fLO. Частота является линейной комбинацией гармоник первого порядка (фундаментальных) _fLO и _fRF. Установка значения Harmonic order 1 достаточно, чтобы убедиться, что эта частота появляется в частотах симуляции. Это минимальное значение для гармонического порядка обеспечивает минимум частот симуляции.

Условия решателя и настройки шума также заданы для блока Configuration:

Значение Solver type устанавливается равным auto. Для получения дополнительной информации о выборе решателей смотрите страницу с описанием для блока Configuration или смотрите Выбор Simulink^® и Simscape™ решатели.
Параметр Sample time установлен в 1/(mod_freq*64). Эта настройка обеспечивает пропускную способность симуляции в 64 раза большую, чем огибающие сигналов в системе.
Флажок Simulate noise установлен, поэтому окружение включает параметры шума во время симуляции.

Просмотр выходов симуляции

Модель использует подсистемы с MATLAB Coder™ реализации быстрого преобразования Фурье (FFT), чтобы сгенерировать две графики. БПФ использует 64 интервала, поэтому для частоты дискретизации 64 Гц, полоса пропускания каждого интервала составляет 1 Гц. Впоследствии уровни степени, показанные в рисунки, также представляют степени спектральную плотность (PSD) сигналов в дБм/Гц.

График Input Display показывает спектр степени сигнала и шум на входе приемника.
Измеренная степень каждого тонального сигнала согласуется с ожидаемым уровнем степени 0.1-μV двухтональной огибающей:

$\begin{matrix} P_{i n} = 10 \log_{10} (\frac{V^{2}}{2 R}) + 30 \\ = 10 \log_{10} (\frac{{(\frac{1}{2} \cdot \frac{10^{- 7}}{2})}^{2}}{2 \cdot 50}) + 30 = - 142 dBm \end{matrix}$
Коэффициент 1/2 обусловлен делением напряжения на источнике и нагрузочных резисторах, а другой коэффициент 1/2 обусловлен масштабированием огибающей. Смотрите рекомендуемый пример Анализ двухтональной огибающей с использованием реальных сигналов для получения дополнительной информации о масштабировании огибающих сигналов для вычисления степени.
Измеренный шумовой пол на -177 дБм/Гц уменьшается на 3 дБ от заданного шумового пола -174 дБм/Гц. Различие обусловлено степенью передачей от источника к входу усилителя. Усилитель также моделирует тепловой шумовой пол, поэтому, хотя это уменьшение нереально, оно не влияет на точность на выходном этапе.
График Output Display показывает спектр степени сигнала и шум на выходе приемника.
Измеренный PSD -102 дБм/Гц для каждого тонального сигнала соответствует 40-dB совокупному усилению усилителя и смесителя. Шум PSD на рисунке показан как примерно на 50 дБ выше на выходе из-за усиления и шумовой величины системы.

Если установлено программное обеспечение DSP System Toolbox™, можно заменить подсистемы MATLAB Coder на Spectrum Analyzer (DSP System Toolbox) блок.

Симуляция пола теплового шума

Тепловой шум степени может быть смоделирован согласно уравнению

$P_{n o i s e} = 4 k_{B} T R_{s} Δ f$

где:

_kB - константа Больцмана, равная 1.38065 × 10^-23 J/K.
T - температура шума, заданная как 293,15 K в этом примере.
_Rs - импеданс источника шума, заданный как 50 Ом в этом примере, чтобы согласиться со значением сопротивления маркированного блока Resistor R1.
Β f является шумовой полосой пропускания.

Чтобы смоделировать шумовой пол по RF сигналу на резисторе, модель включает в себя Noise блок:

Параметр Noise Power Spectral Density (Watts/Hz) вычисляется как $P_{n o i s e} / Δ f = 4 k_{B} T R_{s}$ .
Параметр Carrier frequencies, установленный на carriers.RF, создает шум только на несущей RF.

Шумовые

Фигуры вычислительной системы

Для модели радиочастотного шума из рисунков шумов компонентов:

Выберите Simulate noise в Parameters RF Blockset диалогового окна блока, если он еще не выбран.
Задайте значение для параметра Noise figure (dB) блока Amplifier и Mixer блоков.

Шумовые рисунки не являются строго аддитивными. Усилитель вносит больше шума в систему, чем смеситель, потому что он появляется первым в каскаде. Чтобы вычислить общий рисунок системы RF с n ступенями, используйте уравнение Фрииса:

$F_{s y s} = F_{1} + \frac{F_{2} - 1}{G_{1}} + \frac{F_{3} - 1}{G_{1} G_{2}} + ... + \frac{F_{n} - 1}{G_{1} G_{2} ... G_{n - 1}}$

где _Fi и _Gi - коэффициент шума и коэффициент усиления i-й ступени, и _NFi = _10log10 ₍Fi).

В этом примере рисунок усилителя составляет 10 дБ, а шумовой рисунок миксера - 15 дБ, поэтому шумовой рисунок системы:

$10 \log_{10} (10^{10 / 10} + \frac{10^{15 / 10} - 1}{10000}) = 10.0 dB$

Уравнение Фрииса показывает, что, хотя миксер имеет более высокий шумовой рисунок, усилитель способствует большему шуму в системе.

См. также

Amplifier | Mixer | Noise

Документация