噪聲系數的測量方法和公式

本次我們介紹三種測量噪聲系數的方法：增益法、Y因子法和噪聲系數計法。這三種方法在表格中進行了比較。

介紹

在無線通信系統中，“噪聲系數（NF）”或相關的“噪聲因子（F）”是一個用于指定無線電接收機性能的數字。噪聲系數的值越低，性能越好。本教程更詳細地討論了這一重要參數，并描述了三種不同的噪聲系數測量程序。

噪聲系數和噪聲系數

噪聲系數（NF）有時被稱為噪聲系數（F）。這種關系很簡單：

NF=10*log10（F）

釋義

噪聲系數（NoiseFactor）包含有關射頻系統噪聲性能的重要信息?；径x是：

噪聲系數（F）=總輸出噪聲功率僅由輸入源引起的輸出噪聲

根據這個定義，可以導出許多其他流行的噪聲系數（噪聲系數）方程。

下表是典型的RF系統噪聲圖：

測量方法因應用而異。如上表所示，一些應用具有高增益和低噪聲系數（HG模式下的低噪聲放大器），一些具有低增益和高噪聲系數（LG模式下的混頻器和LNA），一些有非常高的增益和寬范圍的噪聲系數（接收機系統）。必須仔細選擇測量方法。在本文中，將討論噪聲系數計以及兩種其他流行的方法——“增益法”和“Y因子法”。

使用噪聲系數表

采用噪聲系數儀/分析儀，如圖中所示。

噪聲系數儀，如安捷倫N8973A噪聲系數分析儀，產生28VDC脈沖信號以驅動噪聲源（HP346A/B），噪聲源產生噪聲以驅動被測設備（DUT）。然后由噪聲系數分析儀測量DUT的輸出。由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，因此可以在內部計算和顯示DUT的噪聲系數。對于某些應用（混頻器和接收機），可能需要LO信號，如圖1所示。此外，在測量之前，需要在噪聲系數表中設置某些參數，例如頻率范圍、應用（放大器/混頻器）等。

使用噪聲系數計是測量噪聲系數的最直接方法。在大多數情況下，它也是最準確的。工程師可以測量特定頻率范圍內的噪聲系數，分析器可以顯示系統增益和噪聲系數，以幫助測量。噪聲系數計也有局限性。分析儀具有一定的頻率限制。例如，安捷倫N8973A的工作頻率為10MHz到3GHz。此外，當測量高噪聲系數（例如，超過10dB的噪聲系數）時，結果可能非常不準確。這種方法需要非常昂貴的設備。

增益方法（GainMethod）

如上所述，除了直接使用噪聲系數計外，還有其他方法來測量噪聲系數。這些方法涉及更多的測量和計算，但在某些條件下，它們變得更加方便和準確。一種流行的方法稱為“增益方法”，它基于前面給出的噪聲因子定義：

噪聲系數（F）=總輸出噪聲功率僅由輸入源引起的輸出噪聲

在這個定義中，“噪波”是由兩個效應引起的。一種是以與所需信號不同的信號形式進入RF系統輸入的干擾。第二個是由于RF系統（LNA、混頻器、接收機等）中載波的隨機波動。第二個效應是布朗運動的結果，它適用于任何電子設備的熱平衡，設備的可用噪聲功率為：

PNA=kTΔF，

其中k=玻爾茲曼常數（1.38*10-23焦耳/Δk），

T=溫度（開爾文），

ΔF=噪聲帶寬（Hz）。

在室溫（290ΔK）下，噪聲功率密度PNAD=-174dBm/Hz。

因此，我們有以下等式：

NF=PNOUT-（-174dBm/Hz+10*log10（BW）+增益）

在方程中，PNOUT是測量的總輸出噪聲功率-174dBm/Hz是290°K環境噪聲的噪聲密度。BW是感興趣的頻率范圍的帶寬。增益是系統增益。NF是DUT的噪聲系數。方程中的一切都是對數刻度。為了使公式更簡單，我們可以直接測量輸出噪聲功率密度（單位：dBm/Hz），公式為：

NF=PNOUTD+174dBm/Hz-增益

要使用“增益法”測量噪聲系數，需要預先確定DUT的增益。然后用特性阻抗端接DUT的輸入（大多數RF應用為50Ω，視頻/電纜應用為75Ω）。然后用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率密度。

增益方法的設置如圖中所示

作為一個例子，我們測量了MAX2700的噪聲系數。在指定的LNA增益設置和VAGC下，增益測量為80dB。然后，如上所示設置設備，并用50Ω終端終止RF輸入。我們讀取的輸出噪聲密度為-90dBm/Hz。為了獲得穩定準確的噪聲密度讀數，RBW（分辨率帶寬）和VBW（視頻帶寬）的最佳比值為RBW/VBW=0.3。因此，我們可以計算NF為：

-90dBm/Hz+174dBm/Hz-80dB=4.0dB。

只要頻譜分析儀允許，“增益方法”可以覆蓋任何頻率范圍。最大的限制來自頻譜分析儀的噪聲地板。如方程所示，當噪聲系數較低（低于10dB）時，（POUTD-增益）接近-170dBm/Hz。正常LNA增益約為20dB。在這種情況下，我們需要測量-150dBm/Hz的噪聲功率密度，這低于大多數頻譜分析儀的噪聲底。在我們的示例中，系統增益非常高，因此大多數頻譜分析儀可以精確測量噪聲系數。類似地，如果DUT的噪聲系數非常高（例如，超過30dB），則該方法也可以非常準確。

Y因子法

Y因子法是測量噪聲系數的另一種流行方法。要使用Y因子法，需要一個ENR（Excess Noise Ratio）源。它與我們在前面的“噪聲系數表”部分中提到的噪聲源是相同的。設置如圖中所示：

ENR磁頭通常需要高直流電壓電源。例如，HP346A/B噪聲源需要28VDC。這些ENR磁頭的工作頻帶非常寬（例如，HP346A/B為10MHz至18GHz），并且它們在指定頻率下具有自己的標準噪聲系數參數。下面給出了一個示例表。外推這些標記之間頻率處的噪聲圖。

噪聲頭ENR示例

打開和關閉噪聲源（通過打開和關閉直流電壓），工程師使用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率密度的變化。計算噪聲系數的公式為：

其中ENR是上表中給出的數字。它通常列在ENR磁頭上。Y是噪聲源打開和關閉時輸出噪聲功率密度之間的差值。

該等式由以下公式得出：

ENR噪聲頭在兩個“噪聲溫度”下提供噪聲源：熱T=TH（當施加直流電壓時）和冷T=290°K。噪聲頭ENR的定義為：

通過偏置噪聲二極管來實現過量噪聲?，F在考慮應用冷T=290°K，然后應用熱T=TH作為輸入時放大器（DUT）的輸出功率比：

Y=G（Th+Tn）/G（290+Tn）=（Th/290+Tn/290）/（1+Tn/290）。

這是Y因子，該方法從中獲得名稱。

就噪聲系數而言，F=Tn/290+1，F是噪聲系數（NF=10*log（F）），因此，Y=ENR/F+1。在這個方程中，一切都是線性的，由此我們可以得到上面的方程。

再次，讓我們使用MAX2700作為如何使用Y因子方法測量噪聲系數的示例。上述設置如圖3所示。將HP346A ENR噪聲頭連接到RF輸入。將28V DC電源電壓連接到噪聲頭。我們可以在頻譜分析儀上監測輸出噪聲密度。通過關閉然后打開直流電源，噪聲密度從-90dBm/Hz增加到-87dBm/Hz。因此Y=3dB。再次為了獲得噪聲密度的穩定和準確讀數，RBW/VBW設置為0.3。從表1中，在2GHz時，我們得到ENR=5.28dB。因此，我們可以計算NF為5.3dB。

總結

本文討論了三種測量RF器件噪聲系數的方法。它們每個都有優點和缺點，并且每個都適用于某些應用。下面是一個利弊總結表。理論上，同一RF設備的測量結果應該相同，但由于RF設備的限制（可用性、準確性、頻率范圍、噪聲地板等），我們必須仔細選擇最佳方法來獲得正確的結果。