噪聲系數測量的三種方法

本文介紹了測量噪聲系數的三種方法：增益法、Y系數法和噪聲系數測試儀法。這三種方法的比較以表格的形式給出。

在無線通信系統中，噪聲系數（NF）或者相對應的噪聲因數(F)定義了噪聲性能和對接收機靈敏度的貢獻。本問將詳細闡述這個重要的參數及其不同的測量方法。

噪聲指數和噪聲系數

噪聲系數(NF)有時也指噪聲因數(F)。兩者簡單的關系為：

NF=10*log10(F)

噪聲系數（噪聲因數）包含了射頻系統噪聲性能的重要信息，標準的定義為：

從這個定義可以推導出很多常用的噪聲系數(噪聲因數)公式。

下表為典型的射頻系統噪聲系數：

噪聲系數的測量方法隨應用的不同而不同。從上表可看出，一些應用具有高增益和低噪聲系數（低噪聲放大器(LNA)在高增益模式下），一些則具有低增益和高噪聲系數（混頻器和LNA在低增益模式下），一些則具有非常高的增益和寬范圍的噪聲系數（接收機系統）。因此測量方法必須仔細選擇。本文中將討論噪聲系數測試儀法、增益法以及Y系數法。

使用噪聲系數測試儀

噪聲系數測試/分析儀在圖1種給出。

圖1

噪聲系數測試儀，如Agilent的N8973A噪聲系數分析儀，產生28VDC脈沖信號驅動噪聲源(HP346A/B)，該噪聲源產生噪聲驅動待測器件(DUT)。使用噪聲系數分析儀測量待測器件的輸出。由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，DUT的噪聲系數可以在內部計算和在屏幕上顯示。對于某些應用(混頻器和接收機)，可能需要本振(LO)信號，如圖1所示。當然，測量之前必須在噪聲系數測試儀中設置某些參數，如頻率范圍、應用(放大器/混頻器)等。

使用噪聲系數測試儀是測量噪聲系數的最直接方法。在大多數情況下也是最準確地。工程師可在特定的頻率范圍內測量噪聲系數，分析儀能夠同時顯示增益和噪聲系數幫助測量。分析儀具有頻率限制。例如，Agilent N8973A可工作頻率為10MHz至3GHz。當測量很高的噪聲系數時，例如噪聲系數超過10dB，測量結果非常不準確。這種方法需要非常昂貴的設備。

增益法

前面提到，除了直接使用噪聲系數測試儀外還可以采用其他方法測量噪聲系數。這些方法需要更多測量和計算，但是在某種條件下，這些方法更加方便和準確。其中一個常用的方法叫做“增益法”，它是基于前面給出的噪聲因數的定義：

在這個定義中，噪聲由兩個因素產生。一個是到達射頻系統輸入的干擾，與需要的有用信號不同。第二個是由于射頻系統載波的隨機擾動(LNA，混頻器和接收機等)。第二種情況是布朗運動的結果，應用于任何電子器件中的熱平衡，器件的可利用的噪聲功率為：

PNA= kTΔF,

這里的k = 波爾茲曼常量(1.38 * 10-23焦耳/ΔK),

T = 溫度，單位為開爾文
ΔF = 噪聲帶寬(Hz)

在室溫(290ΔK)時，噪聲功率譜密度PNAD= -174dBm/Hz。

因而我們有以下的公式：

NF = PNOUT- (-174dBm/Hz + 20 * log10(BW) + 增益)

在公式中，PNOUT是已測的總共輸出噪聲功率，-174dBm/Hz是290°K時環境噪聲的功率譜密度。BW是感興趣的頻率帶寬。增益是系統的增益。NF是DUT的噪聲系數。公式中的每個變量均為對數。為簡化公式，我們可以直接測量輸出噪聲功率譜密度(dBm/Hz)，這時公式變為：

NF = PNOUTD+ 174dBm/Hz - 增益

為了使用增益法測量噪聲系數，DUT的增益需要預先確定的。DUT的輸入需要端接特性阻抗(射頻應用為50Ω，視頻/電纜應用為75Ω)。輸出噪聲功率譜密度可使用頻譜分析儀測量。

增益法測量的裝置見圖2。

圖2

作為一個例子，我們測量MAX2700噪聲系數的。在指定的LNA增益設置和VAGC下測量得到的增益為80dB。接著，如上圖裝置儀器，射頻輸入用50Ω負載端接。在頻譜儀上讀出輸出噪聲功率譜密度為-90dBm/Hz。為獲得穩定和準確的噪聲密度讀數，選擇最優的RBW (解析帶寬)與VBW (視頻帶寬)為RBW/VBW = 0.3。計算得到的NF為：

-90dBm/Hz + 174dBm/Hz - 80dB = 4.0dB

只要頻譜分析儀允許，增益法可適用于任何頻率范圍內。最大的限制來自于頻譜分析儀的噪聲基底。在公式中可以看到，當噪聲系數較低(小于10dB)時，(POUTD - 增益)接近于-170dBm/Hz，通常LNA的增益約為20dB。這樣我們需要測量-150dBm/Hz的噪聲功率譜密度，這個值低于大多數頻譜儀的噪聲基底。在我們的例子中，系統增益非常高，因而大多數頻譜儀均可準確測量噪聲系數。類似地，如果DUT的噪聲系數非常高(比如高于30dB)，這個方法也非常準確。

Y因數法

Y因數法是另外一種常用的測量噪聲系數的方法。為了使用Y因數法，需要ENR (冗余噪聲比) 源。這和前面噪聲系數測試儀部分提到的噪聲源是同一個東西。裝置圖見圖3：

圖3

ENR頭通常需要高電壓的DC電源。比如HP346A/B噪聲源需要28VDC。這些ENR頭能夠工作在非常寬的頻段(例如HP346A/B為10MHz至18GHz)，在特定的頻率上本身具有標準的噪聲系數參數。下表給出具體的數值。在標識之間的頻率上的噪聲系數可通過外推法得到。

表1. 噪聲頭的ENR

開啟或者關閉噪聲源(通過開關DC電壓)，工程師可使用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率譜密度的變化。計算噪聲系數的公式為：

在這個式子中，ENR為上表給出的值。通常ENR頭的NF值會列出。Y是輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關閉時的差值。

這個公式可從以下得到：

ENR噪聲頭提供兩個噪聲溫度的噪聲源：

熱溫度時T = TH (直流電壓加電時)和冷溫度T = 290°K。

ENR噪聲頭的定義為：

冗余噪聲通過給噪聲二極管加偏置得到?，F在考慮在冷溫度T = 290°K時與在熱溫度T = TH時放大器(DUT)功率輸出比：Y?=?G(Th?+?Tn)/G(290?+?Tn)?

=(Th/290+Tn/290)/(1+Tn/290

這就是Y因數法，名字來源于上面的式子。

根據噪聲系數定義，F = Tn/290+1，F是噪聲因數(NF = 10* log(F))，因而，Y = ENR/F+1。在這個公式中，所有變量均是線性關系，從這個式子可得到上面的噪聲系數公式。

我們再次使用MAX2700作為例子演示如何使用Y因數法測量噪聲系數。裝置圖見圖3。連接HP346A ENR到RF的輸入。連接28V直流電壓到噪聲源頭。我們可以在頻譜儀上監視輸出噪聲功率譜密度。開/關直流電源，噪聲譜密度從-90dBm/Hz變到-87dBm/Hz。所以Y = 3dB。為了獲得穩定和準確的噪聲功率譜密度讀數，RBW/VBW設置為0.3。從表2得到，在2GHz時ENR = 5.28dB，因而我們可以計算NF的值為5.3dB。

總結

在本篇文章討論了測量射頻器件噪聲系數的三種方法。每種方法都有其優缺點，適用于特定的應用。下表是三種方法優缺點的總結。理論上，同一個射頻器件的測量結果應該一樣，但是由于射頻設備的限制(可用性、精度、頻率范圍、噪聲基底等)，必須選擇最佳的方法以獲得正確的結果。

審核編輯：湯梓紅