噪声测量三种方法

噪声系数测量的三种方法

本文介绍了测量噪声系数的三种方法：增益法、Y 系数法和噪声系数测试仪法。这三种方法的比较以表格的形式给出。

前言

在无线通信系统中，噪声系数(NF)或者相对应的噪声因数(F)定义了噪声性能和对接收机灵敏度的贡献。本篇应用笔记详细阐述这个重要的参数及其不同的测量方法。

噪声指数和噪声系数

噪声系数有时也指噪声因数(F)。两者简单的关系为：

NF = 10 * log10 (F)

定义

噪声系数(噪声因数) 包含了射频系统噪声性能的重要信息，标准的定义为：

从这个定义可以推导出很多常用的噪声系数（噪声因数）公式。

下表为典型的射频系统噪声系数：

*HG=高增益模式，LG=低增益模式

噪声系数的测量方法随应用的不同而不同。从上表可看出，一些应用具有高增益和低噪声系数(低噪声放大器(LNA)在高增益模式下) ，一些则具有低增益和高噪声系数(混频器和LNA 在低增益模式下) ，一些则具有非常高的增益和宽范围的噪声系数(接收机系统) 。因此测量方法必须仔细选择。本文中将讨论噪声系数测试仪法和其他两个方法：增益法和Y 系数法。

使用噪声系数测试仪

噪声系数测试/分析仪在图1种给出。

图1.

噪声系数测试仪，如Agilent 公司的N8973A 噪声系数分析仪，产生28VDC 脉冲信号驱动噪声源(HP346A/B)，该噪声源产生噪声驱动待测器件(DUT)。使用噪声系数分析仪测量待测器件的输出。由于分析仪已知噪声源的输入噪声和信噪比，DUT 的噪声系数可以在内部计算和在屏幕上显示。对于某些应用(混频器和接收机) ，可能需要本振(LO)信号，如图1所示。当然，测量之前必须在噪声系数测试仪中设置某些参数，如频率范围、应用(放大器/混频器) 等。

使用噪声系数测试仪是测量噪声系数的最直接方法。在大多数情况下也是最准确地。工程师可在特定的频率范围内测量噪声系数，分析仪能够同时显示增益和噪声系数帮助测量。分析仪具有频率限制。例如，Agilent N8973A 可工作频率为10MHz 至3GHz 。当测量很高的噪声系数时，例如噪声系数超过10dB ，测量结果非常不准确。这种方法需要非常昂贵的设备。

增益法

前面提到，除了直接使用噪声系数测试仪外还可以采用其他方法测量噪声系数。这些方法需要更多测量和计算，但是在某种条件下，这些方法更加方便和准确。其中一个常用的方法叫做“增益法”，它是基于前面给出的噪声因数的定义：

在这个定义中，噪声由两个因素产生。一个是到达射频系统输入的干扰，与需要的有用信号不同。第二个是由于射频系统载波的随机扰动(LNA，混频器和接收机等) 。第二种情况是布朗运动的结果，应用于任何电子器件中的热平衡，器件的可利用的噪声功率为：P N A = kTΔF, 这里的k=波尔兹曼常量(1.38*10-23 焦耳/ΔK), T=温度，单位为开尔文 ΔF = 噪声带宽(Hz)

在室温(290ΔK)时，噪声功率谱密度P NAD = -174dBm/Hz.

因而我们有以下的公式：

NF = PN OUT - ( -174dBm/Hz + 20 * log10(BW) + Gain )

在公式中，P N OUT 是已测的总共输出噪声功率，-174dBm/Hz是290°K 时环境噪声的功率谱密度。BW 是感兴趣的频率带宽。Gain 是系统的增益。NF 是DUT 的噪声系数。公式中的每个变量均为对数。为简化公式，我们可以直接测量输出噪声功率谱密度(dBm/Hz)，这时公式变为： NF = PN OUTD + 174dBm/Hz - Gain

为了使用增益法测量噪声系数，DUT 的增益需要预先确定的。DUT 的输入需要端接特性阻抗(射频应用为50Ω，视频/电缆应用为75Ω)。输出噪声功率谱密度可使用频谱分析仪测量。

增益法测量的装置见图2。

图2.

作为一个例子，我们测量MAX2700噪声系数的。在指定的LNA 增益设置和V AG C 下测量得到的增益为80dB 。接着，如上图装置仪器，射频输入用50Ω负载端接。在频谱仪上读出输出噪声功率谱密度为-90dBm/Hz。为获得稳定和准确的噪声密度读数，选择最优的RBW(解析带宽) 与VBW(视频带宽) 为RBW/VBW=0.3。计算得到的NF 为：

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

只要频谱分析仪允许，增益法可适用于任何频率范围内。最大的限制来自于频谱分析仪的噪声基底。在公式中可以看到，当噪声系数较低(小于10dB) 时，(POUTD - Gain)接近于-170dBm/Hz，通常LNA 的增益约为20dB 。这样我们需要测量-150dBm/Hz的噪声功率谱密度，这个值低于大多数频谱仪的噪声基底。在我们的例子中，系统增益非常高，因而大多数频谱仪均可准确测量噪声系数。类似地，如果DUT 的噪声系数非常高(比如高于30dB) ，这个方法也非常准确。

Y 因数法

Y 因数法是另外一种常用的测量噪声系数的方法。为了使用Y 因数法，需要ENR (冗余噪声比) 源。这和前面噪声系数测试仪部分提到的噪声源是同一个东西。装置图见图3：

图3.

ENR 头通常需要高电压的DC 电源。比如HP346A/B噪声源需要28VDC 。这些ENR 头能够工作在非常宽的频段(例如HP346A/B 为10MHz 至18GHz) ，在特定的频率上本身具有标准的噪声系数参数。下表给出具体的数值。在标识之间的频率上的噪声系数可通过外推法得到。 表1：噪声头的ENR

开启或者关闭噪声源(通过开关DC 电压) ，工程师可使用频谱分析仪测量输出噪声功率谱密度的变化。计算噪声系数的公式为:

在这个式子中，ENR 为上表给出的值。通常ENR 头的NF 值会列出。Y 是输出噪声功率谱密度在噪声源开启

和关闭时的差值。这个公式可从以下得到： ENR 噪声头提供两个噪声温度的噪声源：

热温度时T=TH(直流电压加电时) 和冷温度T=290°K. 。ENR 噪声头的定义为：

冗余噪声通过给噪声二极管加偏置得到。现在考虑在冷温度T=290°K 时与在热温度T=TH 时放大器(DUT)功率输出比：

Y=G(Th+Tn)/G(290+Tn)=(Th/290+Tn/290)/(1+Tn/290). 这就是Y 因数法，名字来源于上面的式子。

根据噪声系数定义，F=Tn/290+1，F 是噪声因数(NF=10*log(F))，因而，Y=ENR/F+1。在这个公式中，所有变量均是线性关系，从这个式子可得到上面的噪声系数公式。

我们再次使用MAX2700作为例子演示如何使用Y 因数法测量噪声系数。装置图见图3。连接HP346A ENR到RF 的输入。连接28V 直流电压到噪声源头。我们可以在频谱仪上监视输出噪声功率谱密度。开/关直流电源，噪声谱密度从-90dBm/Hz变到-87dBm/Hz。所以Y=3dB。为了获得稳定和准确的噪声功率谱密度读数，RBW/VBW设置为0.3。从表2得到，在2GHz 时ENR=5.28dB，因而我们可以计算NF 的值为5.3dB 。

总结

在本篇文章讨论了测量射频器件噪声系数的三种方法。每种方法都有其优缺点，适用于特定的应用。下表是三种方法优缺点的总结。理论上，同一个射频器件的测量结果应该一样，但是由于射频设备的限制(可用性、精度、频率范围、噪声基底等) ，必须选择最佳的方法以获得正确的结果。