噪聲系數(shù)測量方法

1、.噪聲系數(shù)測量的三種方法摘要：本文介紹了測量噪聲系數(shù)的三種方法：增益法、Y系數(shù)法和噪聲系數(shù)測試儀法。這三種方法的比較以表格的形式給出。 前言在無線通信系統(tǒng)中，噪聲系數(shù)(NF)或者相對應(yīng)的噪聲因數(shù)(F)定義了噪聲性能和對接收機(jī)靈敏度的貢獻(xiàn)。本篇應(yīng)用筆記詳細(xì)闡述這個重要的參數(shù)及其不同的測量方法。 噪聲指數(shù)和噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)(NF)有時也指噪聲因數(shù)(F)。兩者簡單的關(guān)系為：NF = 10 * log10 (F)定義噪聲系數(shù)(噪聲因數(shù))包含了射頻系統(tǒng)噪聲性能的重要信息，標(biāo)準(zhǔn)的定義為：式1從這個定義可以推導(dǎo)出很多常用的噪聲系數(shù)(噪聲因數(shù))公式。下表為典型的射頻系統(tǒng)噪聲系數(shù)：CategoryMAXIM P

2、roductsNoise Figure*ApplicationsOperating FrequencySystem GainLNAMAX26400.9dBCellular, ISM400MHz 1500MHz15.1dBLNAMAX2645HG: 2.3dBWLL3.4GHz 3.8GHzHG: 14.4dBLG: 15.5dBWLL3.4GHz 3.8GHzLG: -9.7dBMixerMAX268413.6dBLMDS, WLL3.4GHz 3.8GHz1dBMixerMAX998212dBCellular, GSM825MHz 915MHz2.0dBReceiver SystemMAX2

3、7003.5dB 19dBPCS, WLL1.8GHz 2.5GHz 80dB* HG = 高增益模式，LG = 低增益模式噪聲系數(shù)的測量方法隨應(yīng)用的不同而不同。從上表可看出，一些應(yīng)用具有高增益和低噪聲系數(shù)(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(shù)(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(shù)(接收機(jī)系統(tǒng))。因此測量方法必須仔細(xì)選擇。本文中將討論噪聲系數(shù)測試儀法和其他兩個方法：增益法和Y系數(shù)法。使用噪聲系數(shù)測試儀噪聲系數(shù)測試/分析儀在圖1種給出。圖1. 噪聲系數(shù)測試儀，如Agilent的N8973A噪聲系數(shù)分析儀，產(chǎn)生28VDC脈沖信號驅(qū)

4、動噪聲源(HP346A/B)，該噪聲源產(chǎn)生噪聲驅(qū)動待測器件(DUT)。使用噪聲系數(shù)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(shù)可以在內(nèi)部計算和在屏幕上顯示。對于某些應(yīng)用(混頻器和接收機(jī))，可能需要本振(LO)信號，如圖1所示。當(dāng)然，測量之前必須在噪聲系數(shù)測試儀中設(shè)置某些參數(shù)，如頻率范圍、應(yīng)用(放大器/混頻器)等。使用噪聲系數(shù)測試儀是測量噪聲系數(shù)的最直接方法。在大多數(shù)情況下也是最準(zhǔn)確地。工程師可在特定的頻率范圍內(nèi)測量噪聲系數(shù)，分析儀能夠同時顯示增益和噪聲系數(shù)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(dāng)測

5、量很高的噪聲系數(shù)時，例如噪聲系數(shù)超過10dB，測量結(jié)果非常不準(zhǔn)確。這種方法需要非常昂貴的設(shè)備。增益法前面提到，除了直接使用噪聲系數(shù)測試儀外還可以采用其他方法測量噪聲系數(shù)。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(zhǔn)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(shù)的定義：式2.在這個定義中，噪聲由兩個因素產(chǎn)生。一個是到達(dá)射頻系統(tǒng)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(tǒng)載波的隨機(jī)擾動(LNA，混頻器和接收機(jī)等)。第二種情況是布朗運動的結(jié)果，應(yīng)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 = kTF,這里的k = 波爾茲曼常量(1.

6、38 * 10-23焦耳/K),T = 溫度，單位為開爾文F = 噪聲帶寬(Hz)在室溫(290K)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290K時環(huán)境噪聲的功率譜密度。BW是感興趣的頻率帶寬。增益是系統(tǒng)的增益。NF是DUT的噪聲系數(shù)。公式中的每個變量均為對數(shù)。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?yōu)椋篘F = PNOUTD + 174dBm/Hz - 增益為了

7、使用增益法測量噪聲系數(shù)，DUT的增益需要預(yù)先確定的。DUT的輸入需要端接特性阻抗(射頻應(yīng)用為50，視頻/電纜應(yīng)用為75)。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(shù)的。在指定的LNA增益設(shè)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50負(fù)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(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)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

8、.0dB只要頻譜分析儀允許，增益法可適用于任何頻率范圍內(nèi)。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(dāng)噪聲系數(shù)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(shù)頻譜儀的噪聲基底。在我們的例子中，系統(tǒng)增益非常高，因而大多數(shù)頻譜儀均可準(zhǔn)確測量噪聲系數(shù)。類似地，如果DUT的噪聲系數(shù)非常高(比如高于30dB)，這個方法也非常準(zhǔn)確。Y因數(shù)法Y因數(shù)法是另外一種常用的測量噪聲系數(shù)的方法。為了使用Y因數(shù)法，需要ENR (冗余噪聲比) 源。這和前面噪聲系數(shù)測試儀部分提到的噪

9、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(biāo)準(zhǔn)的噪聲系數(shù)參數(shù)。下表給出具體的數(shù)值。在標(biāo)識之間的頻率上的噪聲系數(shù)可通過外推法得到。 表1. 噪聲頭的ENRHP346AHP346BFrequency (Hz)NF (dB)NF (dB)1G5.3915.052G5.2815.013G5.1114.864G5.0714.825G5.0714.81開啟或者關(guān)閉噪聲源(通過開關(guān)DC電壓)，工程師可使用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率

10、譜密度的變化。計算噪聲系數(shù)的公式為：式3.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(guān)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 = 290K。ENR噪聲頭的定義為：式4.冗余噪聲通過給噪聲二極管加偏置得到?，F(xiàn)在考慮在冷溫度T = 290K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(shù)法，名字來源于上面的式子。根據(jù)噪聲系數(shù)

11、定義，F(xiàn) = Tn/290+1，F(xiàn)是噪聲因數(shù)(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(guān)系，從這個式子可得到上面的噪聲系數(shù)公式。我們再次使用MAX2700作為例子演示如何使用Y因數(shù)法測量噪聲系數(shù)。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(jiān)視輸出噪聲功率譜密度。開/關(guān)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(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲功率譜密度讀數(shù)，RBW/VBW設(shè)置為0.3。從表2得到，在2GHz時ENR = 5.28dB，因而我們可以計算N

12、F的值為5.3dB?？偨Y(jié)在本篇文章討論了測量射頻器件噪聲系數(shù)的三種方法。每種方法都有其優(yōu)缺點，適用于特定的應(yīng)用。下表是三種方法優(yōu)缺點的總結(jié)。理論上，同一個射頻器件的測量結(jié)果應(yīng)該一樣，但是由于射頻設(shè)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(jié)果。Suitable ApplicationsAdvantageDisadvantageNoise Figure MeterSuper low NFConvenient, very accurate when measuring super low (0-2dB) NF.Expensive equipment, frequ

13、ency range limitedGain MethodVery high Gain or very high NFEasy setup, very accurate at measuring very high NF, suitable for any frequency rangeLimited by Spectrum Analyzer noise floor. Cant deal with systems with low gain and low NF.Y Factor MethodWide range of NFCan measure wide range of NF at any

14、 frequency regardless of gainWhen measuring Very high NF, error could be large.噪聲系數(shù)的含義和測量方法 噪聲系數(shù)的含義 噪聲系數(shù)是用來描述一個系統(tǒng)中出現(xiàn)的過多的噪聲量的品質(zhì)因數(shù)。把噪聲系數(shù)降低到最小的程度可以減小噪聲對系統(tǒng)造成的影響。在日常生活中，我們可以看到噪聲會降低電視畫面的質(zhì)量，也會使無線通信的話音質(zhì)量變差; 在諸如雷達(dá)等的軍用設(shè)備中，噪聲會限制系統(tǒng)的有效作用范圍; 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，噪聲則會增加系統(tǒng)的誤碼率。電子設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計人員總是在盡最大努力使整個系統(tǒng)的信噪比 (SNR) 達(dá)到最優(yōu)化的程度，為了達(dá)到這個

15、目的，可以用把信號提高的辦法，也可以用把噪聲降低的辦法。在像雷達(dá)這樣的發(fā)射接受系統(tǒng)中，提高信噪比的一種方法是用更大的大功率放大器來提高發(fā)射信號的功率，或使用大口徑天線。降低在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間信號傳輸路徑上對信號的衰耗也可以提高信噪比，但是信號在傳輸路徑上的衰耗大都是由工作環(huán)境所決定的，系統(tǒng)設(shè)計人員控制不了這方面的因素。還可以通過降低由接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲 通常這都是由接收機(jī)前端的低噪聲放大器 (LNA) 的質(zhì)量決定的 來提高信噪比。與使用提高發(fā)射機(jī)功率的方法相比，降低接收機(jī)的噪聲 (以及讓接受機(jī)的噪聲系數(shù)的指標(biāo)更好) 的方法會更容易和便宜一些。 噪聲系數(shù)的定義是很簡單和直觀的。一個電子系統(tǒng)的噪聲

16、因子 (F) 的定義是系統(tǒng)輸入信號的信噪比除以系統(tǒng)輸出信號的信噪比: F = (Si/Ni)/(So/No) Si = 輸入信號的功率 So = 輸出信號的功率 Ni = 輸入噪聲功率 No = 輸出噪聲功率 把噪聲因子用分貝 (dB) 來表示就是噪聲系數(shù) (NF)，NF = 10*log (F)。 這個對噪聲系數(shù)的定義對任何電子網(wǎng)絡(luò)都是正確的，包括那些可以把在一個頻率上的輸入信號變換為另外一個頻率的信號再輸出的電子網(wǎng)絡(luò)，例如上變頻器或下變頻器。 為了更好地理解噪聲系數(shù)的定義，我們來看看放大器的例子。放大器的輸出信號的功率等于放大器輸入信號的功率乘以放大器的增益，如果這個放大器是一個很理想的器

17、件的話，其輸出端口上噪聲信號的功率也應(yīng)該等于輸入端口上噪聲信號的功率乘以放大器的增益，結(jié)果是在放大器的輸入端口和輸出端口上信號的信噪比是相同的。然而，實際情況是任何放大器輸出信號的噪聲功率都比輸入信號的噪聲功率乘以放大器的增益所得到的結(jié)果大，也就是說放大器輸出端口上的信噪比要比輸入端口上的信噪比小，即噪聲因子F 要大于 1，或者說噪聲系數(shù) NF 要大于 0 dB。 在測量并比較噪聲系數(shù)的測量結(jié)果時，非常重要的是要注意我們在測量的過程中是假定測量系統(tǒng)能夠在被測器件 (DUT) 的輸入端口和輸出端口上提供非常完美的 50 的負(fù)載條件?？墒窃趯嶋H測量中，這樣完美的條件永遠(yuǎn)不會存在。稍后我們會討論如果

18、測量系統(tǒng)不是很完美的 50 系統(tǒng)會對噪聲系數(shù)的測量精度造成怎樣的影響。同時，我們也會看到各種校準(zhǔn)和測量方法是怎么克服因為不是很完美的 50 的源匹配而造成的測量誤差的。噪聲系數(shù)的含義和測量方法圖1 器件對信號的處理過程 另一種用來表達(dá)由一個放大器或系統(tǒng)引入的附加噪聲的術(shù)語是有效輸入溫度 (Te)。為了理解這個參數(shù)，我們需要先看一下無源負(fù)載所產(chǎn)生的噪聲的量的表達(dá)方式 kTB，其中 k 是玻爾茲曼常數(shù)，T 是以開爾文為單位的負(fù)載的溫度，B 是系統(tǒng)帶寬。因為在某個給定的帶寬內(nèi)，器件產(chǎn)生的噪聲和溫度是成正比的，所以，一個器件所產(chǎn)生的噪聲的量可以表示為帶寬歸一化為 1 Hz 的等效噪聲溫度。例如，一個從

19、市場上可以買到的超噪比(ENR)為 15 dB 的噪聲源產(chǎn)生的電噪聲可以等效表示為溫度為 8880 K 的負(fù)載。任何一個實際器件的噪聲系數(shù)都可以表示為一個有效輸入噪聲溫度。顯然 Te 不是放大器或變頻器的實際物理溫度，它是與一個 (噪聲為零的) 完美器件相連的在輸出端會產(chǎn)生同樣大小的附加噪聲的輸入負(fù)載的等效溫度 (單位為開爾文)，Te 與噪聲因子的關(guān)系是: Te = 290* (F - 1) 雖然大部分低噪聲放大器 (LNA)的特性是用噪聲系數(shù)來描述的，但是當(dāng) LNA 的噪聲系數(shù)小于 1 時，就會經(jīng)常用 Te 來描述它的噪聲特性。在做涉及到噪聲功率的計算時，Te 也是一個很有用的參數(shù)。噪聲系數(shù)

20、測量方法 主要有兩種測量噪聲系數(shù)的方法。最常用的是所謂 Y 因子法或冷熱源法，安捷倫科技的噪聲系數(shù)分析儀和頻譜分析儀都是用這種方法測量噪聲系數(shù)。 Y 因子法使用經(jīng)過校準(zhǔn)的由特制的可以打開和關(guān)閉的噪聲二極管組成的噪聲源，在噪聲源的后面還有一個用來提供較好的輸出匹配的衰減器，如圖2 所示。當(dāng)二極管被關(guān)閉，也即沒有偏置電流存在的時候，噪聲源對于被測器件來說所呈現(xiàn)的是一個溫度為室溫的負(fù)載。當(dāng)二極管被反向偏置的時候，它所產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)會產(chǎn)生一個超過負(fù)載在室溫環(huán)境下所產(chǎn)生的噪聲的電噪聲，這個額外產(chǎn)生的噪聲的量被表征為“超噪比”(即 ENR)。對于一個給定的噪聲源，ENR 的值會隨著頻率的變化而變化。根據(jù)噪

21、聲源內(nèi)部衰減器的情況的不同，典型噪聲源的 ENR 的額定值的范圍在 5 dB 到 15 dB 之間。使用噪聲源可以在被測器件的輸出端口得到兩個噪聲功率的測量結(jié)果，然后，這兩個測量結(jié)果的比值 被稱之為 Y 因子 可以用來計算噪聲系數(shù)。使用 Y 因子法進(jìn)行測量還可以產(chǎn)生被測器件的標(biāo)量增益的測量結(jié)果。噪聲系數(shù)的含義和測量方法圖2 超噪源的原理圖 第二種測量噪聲系數(shù)的方法是冷源法，有時也把這種方法叫做直接噪聲測量法 在被測器件的輸入端口連接一個冷 (通常是室溫的) 負(fù)載，另外再單獨測量被測器件的增益。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 測量噪聲系數(shù)就經(jīng)常采用冷源法，因為這可以使我們在測量放大器或變頻器時，

22、只需要把被測器件與儀表進(jìn)行一次連接，就可以完成諸如 S 參數(shù)、增益壓縮、噪聲系數(shù)等多項指標(biāo)的測試。Y 因子法 我們在這里要仔細(xì)看一下 Y 因子法。使用噪聲源我們可以得到兩個噪聲功率的測量果: 一個是在噪聲源處在冷 (噪聲二極管是關(guān)閉的) 狀態(tài)下得到的，另一個是在噪聲源處在熱 (噪聲二極管是打開的) 狀態(tài)下得到的。從這兩個測量結(jié)果和噪聲源已知的 ENR 的值我們就可以計算出兩個變量的結(jié)果 被測放大器的標(biāo)量增益和噪聲系數(shù)。 在對被測器件進(jìn)行測量的同時，測量儀表中噪聲測量接收機(jī)的噪聲也會被測量到。為了把這部分附加的噪聲從測量結(jié)果中去除掉，在測量開始之前需要進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的過程就是把噪聲源與測量儀表連

23、接起來，測量儀表內(nèi)噪聲測量接收機(jī)的噪聲系數(shù)。經(jīng)過校準(zhǔn)之后，使用一個簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式就可以把被測器件的噪聲系數(shù)從全部整個系統(tǒng)的噪聲測量結(jié)果中提取出來。這一步驟被叫做第二級噪聲校準(zhǔn)，這是因為被測器件噪聲系數(shù)的測量結(jié)果是基于測試系統(tǒng)第二級 測試儀表的噪聲測量接收機(jī) 的增益和噪聲系數(shù)的值進(jìn)行校準(zhǔn)的。 如果我們把一個放大器輸出的噪聲功率與其輸入噪聲功率的關(guān)系畫成圖的話，只要這個放大器是線性的，那么這個關(guān)系就會遵循一條直線的關(guān)系，如圖 3 所示。對于低噪聲放大器來說，這是一個很好的假設(shè)，因為它們的目的就是放大小信號，它們工作在遠(yuǎn)離放大器壓縮區(qū)的區(qū)域。即便是輸入噪聲為零的情況下，由于放大器內(nèi)部有源電路自身會

24、產(chǎn)生噪聲的機(jī)理，在放大器的輸出端口上還是會有一定量的噪聲存在。這個由放大器自身所產(chǎn)生的噪聲就是噪聲系數(shù)測量中所要標(biāo)定的量。從圖中我們就可以清楚而容易地看出，為什么在求解放大器的增益 (直線的斜率) 和噪聲系數(shù) (在 Y 軸上的截點) 這兩個參數(shù)時需要使用兩個噪聲功率的測量結(jié)果。噪聲系數(shù)的含義和測量方法圖3 Y 因子測量法的圖解冷源法 我們來仔細(xì)地看看使用冷源法測量噪聲系數(shù)的技術(shù)。冷源法的技術(shù)在概念上是很簡單的，被測器件的輸入端始終在室溫 (所謂的“冷”負(fù)載) 溫度，只做噪聲功率的測量，測量得到的噪聲是被放大了的輸入噪聲再加上放大器或變頻器所貢獻(xiàn)的噪聲。如果可以非常精確地知道放大器的增益 (或變

25、頻器的變頻增益)，那么就可以從測量結(jié)果中把被放大的輸入噪聲去掉，只留下由被測器件產(chǎn)生的噪聲，由此就可以計算出噪聲系數(shù)。為了能夠在冷源法測量中得到很精確的測量結(jié)果，我們必須要在非常精密的程度上知道被測器件的增益。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用 2 端口矢量誤差校準(zhǔn)技術(shù)和其它先進(jìn)的校準(zhǔn)方法可以達(dá)到冷源測量法所需要的精度等級，因此，冷源法是非常適合于用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量噪聲系數(shù)的。 和使用 Y 因子法測量噪聲系數(shù)的方法一樣，冷源法也需要一個校準(zhǔn)步驟來表征儀表內(nèi)噪聲測量接收機(jī)的噪聲系數(shù)和增益。和冷源法一樣，這一步驟也需要一個噪聲源來完成; 或者也可以使用一個功率計做掃頻測量來獲得接收機(jī)的有效噪聲帶寬。在這里需要主

26、意的是，冷源法測量中所使用的噪聲源或功率計只是在校準(zhǔn)時才用到，校準(zhǔn)之后再對被測器件進(jìn)行測試時就不再需要了。 圖 4 是輸出噪聲功率與輸入噪聲功率的關(guān)系圖，在這里，我們可以單獨測量被測器件的增益而得到這條直線的斜率。接下來只需要做一次功率的測量就可以確定這條直線和 Y 軸的交點，從而確定該直線在圖中的位置，這樣就可以從中推演出被測器件的噪聲系數(shù)。 噪聲系數(shù)的含義和測量方法圖4 冷源測量法的圖示 需要主意的是，當(dāng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量被測器件的增益時可以使用矢量誤差校準(zhǔn)，這樣得到的增益的測量結(jié)果會比用 Y 因子法測量得到的結(jié)果更精確。矢量校準(zhǔn)需要對被測器件的四個 S 參數(shù)都進(jìn)行測量，這需要網(wǎng)絡(luò)儀做正向和反向兩次掃描測量。在后面我們將會討論怎樣用被測器件的 S11 和 S22 經(jīng)過校準(zhǔn)的測量結(jié)果來校準(zhǔn)測量結(jié)果中的其它誤差項。冷源法測量放大器噪聲系數(shù)的技術(shù)已