本次我們介紹三種測(cè)量噪聲系數(shù)的方法：增益法、Y因子法和噪聲系數(shù)計(jì)法。這三種方法在表格中進(jìn)行了比較。

介紹

在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，“噪聲系數(shù)（NF）”或相關(guān)的“噪聲因子（F）”是一個(gè)用于指定無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)性能的數(shù)字。噪聲系數(shù)的值越低，性能越好。本教程更詳細(xì)地討論了這一重要參數(shù)，并描述了三種不同的噪聲系數(shù)測(cè)量程序。

噪聲系數(shù)和噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)（NF）有時(shí)被稱(chēng)為噪聲系數(shù)（F）。這種關(guān)系很簡(jiǎn)單：

NF=10*log10（F）

釋義

噪聲系數(shù)（NoiseFactor）包含有關(guān)射頻系統(tǒng)噪聲性能的重要信息。基本定義是：

噪聲系數(shù)（F）=總輸出噪聲功率僅由輸入源引起的輸出噪聲

根據(jù)這個(gè)定義，可以導(dǎo)出許多其他流行的噪聲系數(shù)（噪聲系數(shù)）方程。

下表是典型的RF系統(tǒng)噪聲圖：

測(cè)量方法因應(yīng)用而異。如上表所示，一些應(yīng)用具有高增益和低噪聲系數(shù)（HG模式下的低噪聲放大器），一些具有低增益和高噪聲系數(shù)（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(shù)（接收機(jī)系統(tǒng)）。必須仔細(xì)選擇測(cè)量方法。在本文中，將討論噪聲系數(shù)計(jì)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(shù)表

采用噪聲系數(shù)儀/分析儀，如圖中所示。

噪聲系數(shù)儀，如安捷倫N8973A噪聲系數(shù)分析儀，產(chǎn)生28VDC脈沖信號(hào)以驅(qū)動(dòng)噪聲源（HP346A/B），噪聲源產(chǎn)生噪聲以驅(qū)動(dòng)被測(cè)設(shè)備（DUT）。然后由噪聲系數(shù)分析儀測(cè)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(nèi)部計(jì)算和顯示DUT的噪聲系數(shù)。對(duì)于某些應(yīng)用（混頻器和接收機(jī)），可能需要LO信號(hào)，如圖1所示。此外，在測(cè)量之前，需要在噪聲系數(shù)表中設(shè)置某些參數(shù)，例如頻率范圍、應(yīng)用（放大器/混頻器）等。

使用噪聲系數(shù)計(jì)是測(cè)量噪聲系數(shù)的最直接方法。在大多數(shù)情況下，它也是最準(zhǔn)確的。工程師可以測(cè)量特定頻率范圍內(nèi)的噪聲系數(shù)，分析器可以顯示系統(tǒng)增益和噪聲系數(shù)，以幫助測(cè)量。噪聲系數(shù)計(jì)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(dāng)測(cè)量高噪聲系數(shù)（例如，超過(guò)10dB的噪聲系數(shù)）時(shí)，結(jié)果可能非常不準(zhǔn)確。這種方法需要非常昂貴的設(shè)備。

增益方法（GainMethod）

如上所述，除了直接使用噪聲系數(shù)計(jì)外，還有其他方法來(lái)測(cè)量噪聲系數(shù)。這些方法涉及更多的測(cè)量和計(jì)算，但在某些條件下，它們變得更加方便和準(zhǔn)確。一種流行的方法稱(chēng)為“增益方法”，它基于前面給出的噪聲因子定義：

噪聲系數(shù)（F）=總輸出噪聲功率僅由輸入源引起的輸出噪聲

在這個(gè)定義中，“噪波”是由兩個(gè)效應(yīng)引起的。一種是以與所需信號(hào)不同的信號(hào)形式進(jìn)入RF系統(tǒng)輸入的干擾。第二個(gè)是由于RF系統(tǒng)（LNA、混頻器、接收機(jī)等）中載波的隨機(jī)波動(dòng)。第二個(gè)效應(yīng)是布朗運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，它適用于任何電子設(shè)備的熱平衡，設(shè)備的可用噪聲功率為：

PNA=kTΔF，

其中k=玻爾茲曼常數(shù)（1.38*10-23焦耳/Δk），

T=溫度（開(kāi)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(cè)量的總輸出噪聲功率-174dBm/Hz是290°K環(huán)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(tǒng)增益。NF是DUT的噪聲系數(shù)。方程中的一切都是對(duì)數(shù)刻度。為了使公式更簡(jiǎn)單，我們可以直接測(cè)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(cè)量噪聲系數(shù)，需要預(yù)先確定DUT的增益。然后用特性阻抗端接DUT的輸入（大多數(shù)RF應(yīng)用為50Ω，視頻/電纜應(yīng)用為75Ω）。然后用頻譜分析儀測(cè)量輸出噪聲功率密度。

增益方法的設(shè)置如圖中所示

作為一個(gè)例子，我們測(cè)量了MAX2700的噪聲系數(shù)。在指定的LNA增益設(shè)置和VAGC下，增益測(cè)量為80dB。然后，如上所示設(shè)置設(shè)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(wěn)定準(zhǔn)確的噪聲密度讀數(shù)，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(jì)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(lái)自頻譜分析儀的噪聲地板。如方程所示，當(dāng)噪聲系數(shù)較低（低于10dB）時(shí)，（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(cè)量-150dBm/Hz的噪聲功率密度，這低于大多數(shù)頻譜分析儀的噪聲底。在我們的示例中，系統(tǒng)增益非常高，因此大多數(shù)頻譜分析儀可以精確測(cè)量噪聲系數(shù)。類(lèi)似地，如果DUT的噪聲系數(shù)非常高（例如，超過(guò)30dB），則該方法也可以非常準(zhǔn)確。

Y因子法

Y因子法是測(cè)量噪聲系數(shù)的另一種流行方法。要使用Y因子法，需要一個(gè)ENR（Excess Noise Ratio）源。它與我們?cè)谇懊娴摹霸肼曄禂?shù)表”部分中提到的噪聲源是相同的。設(shè)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?cè)谥付l率下具有自己的標(biāo)準(zhǔn)噪聲系數(shù)參數(shù)。下面給出了一個(gè)示例表。外推這些標(biāo)記之間頻率處的噪聲圖。

噪聲頭ENR示例

打開(kāi)和關(guān)閉噪聲源（通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉直流電壓），工程師使用頻譜分析儀測(cè)量輸出噪聲功率密度的變化。計(jì)算噪聲系數(shù)的公式為：

其中ENR是上表中給出的數(shù)字。它通常列在ENR磁頭上。Y是噪聲源打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)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(gè)“噪聲溫度”下提供噪聲源：熱T=TH（當(dāng)施加直流電壓時(shí)）和冷T=290°K。噪聲頭ENR的定義為：

通過(guò)偏置噪聲二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)量噪聲?，F(xiàn)在考慮應(yīng)用冷T=290°K，然后應(yīng)用熱T=TH作為輸入時(shí)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(chēng)。

就噪聲系數(shù)而言，F(xiàn)=Tn/290+1，F(xiàn)是噪聲系數(shù)（NF=10*log（F）），因此，Y=ENR/F+1。在這個(gè)方程中，一切都是線(xiàn)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(cè)量噪聲系數(shù)的示例。上述設(shè)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(jiān)測(cè)輸出噪聲密度。通過(guò)關(guān)閉然后打開(kāi)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(wěn)定和準(zhǔn)確讀數(shù)，RBW/VBW設(shè)置為0.3。從表1中，在2GHz時(shí)，我們得到ENR=5.28dB。因此，我們可以計(jì)算NF為5.3dB。

總結(jié)

本文討論了三種測(cè)量RF器件噪聲系數(shù)的方法。它們每個(gè)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并且每個(gè)都適用于某些應(yīng)用。下面是一個(gè)利弊總結(jié)表。理論上，同一RF設(shè)備的測(cè)量結(jié)果應(yīng)該相同，但由于RF設(shè)備的限制（可用性、準(zhǔn)確性、頻率范圍、噪聲地板等），我們必須仔細(xì)選擇最佳方法來(lái)獲得正確的結(jié)果。