噪聲系數(shù)測量的三種方法

1、噪聲系數(shù)測量的三種方法本文介紹了測量噪聲系數(shù)的三種方法：增益法、丫系數(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、戶.、刖百在無線通信系統(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靈敏度的貢獻。本篇應(yīng)用筆記 詳細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)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，標準的定義為：N o is e F a cto r (F)=To tai 0 utp ut N o ise PowerOutput Noise d

2、ue to Input Source 0nly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):CategoryMAXIMProductsNoiseFigure*ApplicationsOperatingFrequencySystemGainLNAMAX26400.9dBCellular, ISM400MHz 1500MHz15.1dBLNAMAX2645HG: 2.3dBWLL3.4GHz 3.8GHzHG: 14.4dBLG: 15.5dBWLL3.4GHz 3.8GHzLG: -9.7dBMixerMAX268413.6dBLMDS, WLL3.4GH

3、z 3.8GHz1dBMixerMAX998212dBCellular, GSM825MHz 915MHz2.0dBReceiverSystemMAX27003.5dB 19dBPCS, WLL1.8GHz 2.5GHz<80dBReceiverSystemMAX210511.5dB15.7dBDBS, DVB950MHz 2150MHz<60dB*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

4、高的增益和寬范圍的噪聲系數(shù)（接收機系統(tǒng)）。因此測量方法必須仔細選擇。本文中將討論噪聲系數(shù)測試儀法和 其他兩個方法：增益法和丫系數(shù)法。使用噪聲系數(shù)測試儀Power Supply (AG E3631A)噪聲系數(shù)測試/分析儀在圖1種給出Noise Figure Anal/zcr(AG N0973A)Faraday CageAF Signal(HP 86460)OflWfiO口 W OroDKl D a"8 dutRF InputMAX2640MAX2684LO MAX2700 RF/IFm 4婚lc«4eOulpLrt(j»v ENR&DD VH； J I GH

5、z口DiiNuis*圖1.噪聲系數(shù)測試儀，如Agilent公司的N8973A噪聲系數(shù)分析儀，產(chǎn)生28VDC脈沖信號驅(qū)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），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(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

6、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。當測量很高的噪聲系數(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：N ois e Factor (F)=Total Output Nois PowerOutp ut N o ise due to In put S o u re e

7、Only在這個定義中，噪聲由兩個因素產(chǎn)生。一個是到達射頻系統(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)載波的隨機擾動(LNA ,混頻器和接收機等)。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 = kT F,這里的k=波爾茲曼常量(1.38*10 -23焦耳/ K),T=溫度，單位為開爾文 F =噪聲帶寬(Hz)在室溫(290AK)時，噪聲功率譜密度Pnad =-174dBm/Hz.因而我們有以下的公式：NF = P nout - ( -174dBm/Hz + 20 * log 10 (BW) + Gain )在公式中，Pnout是已

8、測的總共輸出噪聲功率，-174dBm/Hz 是290 ° K時環(huán)境噪聲的功率譜密度。BW是 感興趣的頻率帶寬。Gain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 = P NOUTD + 174dBm/Hz - Gain為了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。Power Supply (AG E3G31A)增益法測量的裝置見圖2。RF Signal G

9、enerator(HP 8646DG Q &0Q 00 SS 1. 一三二II口 口品罌8QQ 口口丁RF Signal Generator (HP 9648。)MAX2700Vcc DUTRF mpLHif apphrablejRF/1FOutpit圖2.RF Spectrum Analyser(HPS56XE)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)定和準確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)的RBW（解析帶寬）與VBW

10、（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(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，當噪聲系數(shù)較低（小于10dB）時，（Poutd - Gain）接近于-170dBm/Hz ,通常LNA的增益約為20dB o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）,這個方法也非常準確。

11、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。為了使用丫因數(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聲源是同一個東西。裝置圖見圖3:Power Supply (AG E3631A)緲i DCHigh VoltegePower SupplyFaraday CageAF Signal Generator(HP 8£48D)090 8 二一二 二 aBD C 駕母 sun mm BOB- Da»吆 dutRF Inpul *MAX2700 口jLORFjIF L_科4婚俯如酢 Output IHiENRH白白dHP34CW&：.RF Sp

12、octrum Analyzer (HP 856，E)Termlnatlan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(shù)參數(shù)。下表給出 具體的數(shù)值。在標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ENRHP346A HIP346BFrequency (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

13、關(guān)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(shù)的公式為：n ENRrtONoise Figure (NF) -1010 ( 10 nli)在這個式子中，ENR為上表給出的值。通常ENR頭的NF值會列出。丫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=290° K.o ENR噪聲頭的定義為：ENr=冗余噪聲通過給噪聲二極管加偏置得到。現(xiàn)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)/

14、G(290+Tn)=(Th/290+Tn/290)/(1+Tn/290).這就是丫因數(shù)法，名字來源于上面的式子。根據(jù)噪聲系數(shù)定義，F(xiàn)=Tn/290+1 , F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 o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 變至U-87dBm/Hz 。所以Y=3dB 。為了獲得穩(wěn)定

15、和準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 NF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。SuitableApplicationsAdvantageDisadvantageNoiseFigureMeterSuper low NFConvenient, very accurate when measuring super low (0-2dB) NF.Expensive equipment, frequency range limitedGainVery high Gain orEasy setup, very accurate atmeasuring very high NF,Limited by Spectrum Analyzernoise floor