基于ATE高效測(cè)量射頻到基帶噪聲指數(shù)詳解

　　噪聲指數(shù)（Noise Figure）主要測(cè)量的是組件的信噪比（Signal-to-noise Ratio， SNR）性能，信噪比是誤碼率（BER）和載波/噪聲比（C/N）等大部分?jǐn)?shù)字通信參數(shù)的基礎(chǔ)。以往只會(huì)針對(duì) （RF）到射頻的組件，也就是低噪聲放大器（LNA），進(jìn)行噪聲指數(shù)測(cè)量，但在過(guò)去幾年，低噪聲放大器已被整合到接收器中，將信號(hào)從天線端帶到模擬或數(shù)字基帶的單元（I和Q），因此，測(cè)試射頻到基帶架構(gòu)的噪聲指數(shù)已經(jīng)變得越來(lái)越普遍。

　　測(cè)試射頻到基帶架構(gòu)的噪聲指數(shù)已是射頻組件量產(chǎn)測(cè)試必經(jīng)的步驟，為縮短測(cè)試時(shí)間和降低測(cè)試成本，必須在自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備中導(dǎo)入冷噪聲，或使用具任意波形發(fā)生能力噪聲源的Y系數(shù)方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

　　射頻到基帶的前端電路包含一個(gè)與混頻器串接的低噪聲放大器，混頻器可以將射頻信號(hào)降頻轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，這樣的組合在今日射頻組件的大量生產(chǎn)（HVM）測(cè)試中，已經(jīng)相當(dāng)普遍。雖然測(cè)量這些組件的噪聲指數(shù)所使用的方法與到射頻組件的方法相同，但臺(tái)式測(cè)試設(shè)備與自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備，以及射頻到射頻組件與射頻到基帶組件之間的運(yùn)用方式還是有些不同。

　　噪聲系數(shù)為噪聲指數(shù)根本

　　噪聲指數(shù)可測(cè)量出組件會(huì)帶入多少噪聲到系統(tǒng)中，在射頻到基帶的接收器中，通過(guò)噪聲指數(shù)測(cè)量，可得知降頻轉(zhuǎn)換和放大過(guò)程會(huì)加入多少的噪聲。噪聲指數(shù)與信噪比這項(xiàng)基本的參數(shù)有關(guān)，從最早期的音響設(shè)備到最新一代的個(gè)人通信裝置等各種電子應(yīng)用中，信噪比都是極為重要的參數(shù)。 噪聲系數(shù)（Noise Factor， F）雖然較少使用，卻是噪聲指數(shù)的根本。噪聲系數(shù)是以線性的格式描述因某個(gè)組件所造成的信噪比降低程度：

　　噪聲系數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)化的參考溫度T=T0（IEEE訂為290K，約17℃）下，將輸入端的信噪比與輸出端的信噪比相除的結(jié)果。溫度之所以成為一項(xiàng)條件，是因?yàn)殡娮与娐分械脑肼曋饕怯山M件傳導(dǎo)媒介中的電子熱擾動(dòng)（Thermal Agitation）所造成的，又稱為熱噪聲。由圖1描繪的方程式（1）可以看出這種噪聲對(duì)組件的影響：經(jīng)待測(cè)組件（DUT）放大后（增益值為G）的輸入功率位準(zhǔn)以及待測(cè)組件的輸出端所增加的噪聲降低了信噪比。請(qǐng)注意，輸入信號(hào)和輸入噪聲都被待測(cè)組件放大，使得兩者在待測(cè)組件輸出端的位準(zhǔn)都變高。然而，由于待測(cè)組件也會(huì)帶入一些噪聲，因此，輸出端的總噪聲會(huì)大幅提高。

　　信號(hào)通過(guò)組件后，信噪比降低

　　圖1 信號(hào)通過(guò)半導(dǎo)體組件后，信噪比降低。圖中，輸入信號(hào)（a）的峰值功率不高，且信噪比很理想，但輸出信號(hào)（b）的峰值振幅變高，同時(shí)噪聲底線也提高，導(dǎo)致整體的信噪比性能變差。

　　較常使用的術(shù)語(yǔ)是噪聲指數(shù)，一般以NF代表，其定義與噪聲系數(shù)有關(guān)，描述兩者關(guān)系的方程式如下：

　　噪聲指數(shù)測(cè)量之道

　　測(cè)量射頻到射頻噪聲指數(shù)的方法有好幾種，包括Y系數(shù)（Y-factor）、冷噪聲（Cold Noise）、雙倍功率（Twice-power）等，然而，就主流的射頻到基帶組件而言，只有其中兩種最常使用，分別是Y系數(shù)和冷噪聲方法，兩種方法各有其優(yōu)點(diǎn)。

　　Y系數(shù)測(cè)量

　　測(cè)量噪聲指數(shù)的Y系數(shù)方法可能是已知最古老的方法，大部分噪聲指數(shù)量表和分析儀幕后所采用的正是這種方法。測(cè)量時(shí)，須將一個(gè)噪聲源灌到待測(cè)組件的輸入端，然后在待測(cè)組件的輸出端測(cè)量噪聲功率。如此來(lái)，即可得到噪聲功率測(cè)量的比值，也就是Y系數(shù)，再進(jìn)一步算出噪聲指數(shù)。

　　Y系數(shù)方法須將噪聲源灌到待測(cè)組件的輸入端，如圖2所示。測(cè)量時(shí)，要先將噪聲源的打開(kāi)再關(guān)閉，每一次都要在待測(cè)組件的輸出端進(jìn)行一次功率測(cè)量。Y系數(shù)的定義為“熱”條件與“冷”條件下所測(cè)得之噪聲功率（以瓦為單位）的比值：

　　“熱” 條件指的是噪聲源的電源為開(kāi)啟狀態(tài)，并將噪聲加到待測(cè)組件中，就像利用信號(hào)產(chǎn)生器提供電壓或電源信號(hào)到待測(cè)組件的輸入端一樣。“冷”條件指的是噪聲源的電 源未開(kāi)啟，但還是有連接到待測(cè)組件的輸入端。幾乎所有噪聲源的“關(guān)閉”或“冷”條件狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)都提供一個(gè)50歐姆的終結(jié)負(fù)載到待測(cè)組件的輸入端。

　　圖2 將噪聲源灌入待測(cè)組件中，并通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量其輸出的噪聲功率。A先將噪聲源的電源打開(kāi)，以提供“熱”條件的噪聲（相對(duì)于其剩余噪聲功率比）。B再將噪聲源的電源關(guān)閉，提供50歐姆的“冷”條件終結(jié)負(fù)載到待測(cè)組件的輸入端。

　　每個(gè)噪聲源都有其對(duì)應(yīng)的參數(shù)，稱為剩余噪聲功率比（ENR）。剩余噪聲功率比是熱條件與冷條件之間的功率位準(zhǔn)差，比較基準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)參考溫度T0（290K）下的熱平衡（Thermal Equilibrium）噪聲功率。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的二極管式噪聲源都會(huì)注明其剩余噪聲功率比值。

　　通過(guò)測(cè)量得到的Y系數(shù)，加上噪聲源的剩余噪聲功率比，就可以由方程式（4）計(jì)算出噪聲系數(shù)：

　　以及噪聲指數(shù)（以dB為單位）：

　　測(cè)試射頻到基帶組件的噪聲指數(shù)時(shí)，Y通常會(huì)遠(yuǎn)大于1，因此，可以省略掉“-1”，得到下列簡(jiǎn)化過(guò)的方程式：

　　當(dāng)使用內(nèi)建噪聲二極管的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、具射頻任意波形發(fā)生能力的噪聲源、或測(cè)試載板上有噪聲二極管時(shí)，常使用方程式（5）和（6）來(lái)測(cè)量射頻到基帶的噪聲指數(shù)。

　　冷噪聲測(cè)量

　　冷 噪聲（或增益）測(cè)量方法是另外一種被認(rèn)為非常符合量產(chǎn)測(cè)試需求、適合射頻到基帶組件采用的方法。做法是將一個(gè)50歐姆的終結(jié)負(fù)載加到待測(cè)組件的輸入端，然 后測(cè)量待測(cè)組件的冷條件噪聲功率。這種方法也須要測(cè)量待測(cè)組件的增益值，其優(yōu)點(diǎn)是，在典型的量產(chǎn)測(cè)試程序中，增益測(cè)試之后本來(lái)就常會(huì)接著進(jìn)行這項(xiàng)測(cè)試，這 樣一來(lái)，只須進(jìn)行一次測(cè)量（噪聲功率）即可。有了增益和噪聲功率兩數(shù)值，就可依照方程式（7）計(jì)算出噪聲系數(shù)：

　　或利用方程式（8）得出以dB為單位的結(jié)果：

　　B是進(jìn)行冷條件的噪聲功率測(cè)量Pcold時(shí)所使用的帶寬，-174dBm/Hz則是在290K的溫度下所伴隨出現(xiàn)的熱噪聲功率，為（1.38×10-23-J/K×290K）的乘積kT，轉(zhuǎn)換為以dBm為單位的對(duì)數(shù)格式。

　　Y系數(shù)與冷噪聲比各有所長(zhǎng)

　　Y 系數(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)為進(jìn)行兩次功率測(cè)量，并利用兩次測(cè)量結(jié)果的比值計(jì)算出噪聲指數(shù)。由于它是以比值的方式計(jì)算，使得測(cè)量結(jié)果為相對(duì)的，因此，測(cè)量設(shè)備的絕對(duì)功 率準(zhǔn)確度就不是那么重要。其主要的缺點(diǎn)是經(jīng)常須要使用二極管式、固定剩余噪聲功率比的噪聲源，當(dāng)須要測(cè)量非常高或非常低的噪聲指數(shù)值時(shí)，會(huì)是一大問(wèn)題。問(wèn) 題的成因可由方程式（5）來(lái)觀察，如果噪聲指數(shù)太大（相對(duì)于噪聲源的剩余噪聲功率比值），則所測(cè)量到的熱噪聲功率值會(huì)造成Y接近1，因此，可能會(huì)得到不同 于預(yù)期的噪聲指數(shù)。使用二極管式的噪聲源時(shí)，其剩余噪聲功率比是固定的。此剩余噪聲功率比可能適合某些組件，但不一定適合其他的組件，特別是如上所述噪聲 指數(shù)較大的組件。在某些情況下，可以使用具任意波形發(fā)生能力的噪聲源，這種噪聲源可以調(diào)整剩余噪聲功率比值，以克服上述的問(wèn)題。

　　冷噪聲測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是只須要進(jìn)行一次功率測(cè)量，因此，可縮短測(cè)試時(shí)間。整體而言，其測(cè)量的設(shè)置和進(jìn)行方式都非常簡(jiǎn)單。

　　兩 種方法都會(huì)測(cè)量冷條件的噪聲功率，也就是在待測(cè)組件的輸入端提供50歐姆的終結(jié)負(fù)載下進(jìn)行，個(gè)中的差異在于Y系數(shù)方法須要測(cè)量熱條件的噪聲功率。除噪聲指 數(shù)外，還可通過(guò)熱噪聲功率測(cè)量，計(jì)算出待測(cè)組件的增益值，這也是噪聲指數(shù)量表或分析儀能夠在頻域中顯示出增益和噪聲指數(shù)兩種信息的方法。

　　選擇適當(dāng)噪聲指數(shù)測(cè)量方法

　　射頻到基帶組件的主要差異點(diǎn)在于是否有較多可用的增益狀態(tài)，這是低噪聲放大器和混頻器合起來(lái)所能提供的增益控制結(jié)果。

　　圖3所示的矩陣包含射頻到基帶的組件中，可能出現(xiàn)的四種不同增益與噪聲指數(shù)狀態(tài)的組合。

　　圖3 矩陣圖顯示出射頻到基帶的組件中，可能出現(xiàn)的四種不同增益與噪聲指數(shù)狀態(tài)的組合。

　　具有高增益（不論噪聲指數(shù)是高或低）的組件是最容易測(cè)量，不管是使用冷噪聲或Y系數(shù)方法的測(cè)量結(jié)果都不錯(cuò)。常用的經(jīng)驗(yàn)法則是，增益和噪聲指數(shù)（以dB為單位）的和越高，噪聲指數(shù)就越容易測(cè)量。須要注意的是，就那些增益和噪聲指數(shù)俱高的組件而言，如果要采用Y系數(shù)方法，必須使用剩余噪聲功率比較高的噪聲源。

　　這兩種方法測(cè)量低增益、低噪聲指數(shù)組件的效果比較差，因?yàn)闇y(cè)試系統(tǒng)本身的噪聲相對(duì)于待測(cè)組件的噪聲會(huì)比較顯著，這點(diǎn)主要會(huì)影響到兩種方法中的冷噪聲測(cè)量結(jié)果。就此特殊的狀況而言，兩種方法在生產(chǎn)在線都不容易執(zhí)行，可能須要使用前級(jí)放大器（Pre-amplifier），以降低測(cè)試系統(tǒng)本身的噪聲指數(shù)效應(yīng)。所幸，在射頻到基帶的組件中，極少會(huì)出現(xiàn)這種低增益和低噪聲指數(shù)的組合。

　　就低增益、高噪聲指數(shù)的組件而言，唯一須要注意的也是使用Y系數(shù)方法搭配固定剩余噪聲功率比的噪聲源時(shí)，如果該剩余噪聲功率比不夠大時(shí)，會(huì)使得測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確，這是因?yàn)榇郎y(cè)組件所輸出的噪聲會(huì)遠(yuǎn)大于噪聲源所產(chǎn)生的噪聲，使得Y會(huì)接近1（方程式（5））。

　　比較不同噪聲指數(shù)測(cè)試方法

　　在此針對(duì)下列測(cè)量射頻到的方法，研究分析個(gè)中的差異：

　　? 使用噪聲二極管的Y系數(shù)測(cè)量法

　　? 使用具任意波形發(fā)生能力的噪聲源（剩余噪聲功率比 = 12.8dB）的Y系數(shù)測(cè)量法

　　? 使用具任意波形發(fā)生能力的噪聲源（剩余噪聲功率比 = 36.8dB）的Y系數(shù)測(cè)量法

　　? 冷噪聲測(cè)量法

　　此研究是在含有雙組件測(cè)試載板的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備環(huán)境中進(jìn)行，用以執(zhí)行功率測(cè)量的是一組16位的基帶數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Digitizer），所測(cè)試的對(duì)象則是一個(gè)工作頻率為2.4GHz的802.11b/g組件。所有的測(cè)量都是在相同的頻率下進(jìn)行，但待測(cè)組件的增益設(shè)定值則有所不同。所有的噪聲功率都是以2 MHz的帶寬測(cè)量得出。

　　噪聲二極管（HP346A）的剩余噪聲功率比為12.8dB，為保持一致起見(jiàn)，具任意波形發(fā)生能力的噪聲源也要設(shè)定為產(chǎn)生剩余噪聲功率比為12.8dB的噪聲輸出。為解決待測(cè)組件的增益設(shè)定差異很大的問(wèn)題，也會(huì)須要使用剩余噪聲功率比較高的噪聲源。此時(shí)，唯有采用具任意波形發(fā)生能力的噪聲源才有辦法做到，其噪聲輸出可提高到剩余噪聲功率比為36.8dB。

　　表1所列為待測(cè)組件的增益設(shè)定以及預(yù)期會(huì)測(cè)量到的噪聲指數(shù)值。通過(guò)改變低噪聲放大器的增益值（實(shí)際上是進(jìn)行衰減），或是調(diào)整混頻器的放大值（因此預(yù)期會(huì)出現(xiàn)非線性的噪聲指數(shù)值），可讓組件經(jīng)歷六種不同的增益狀態(tài)。請(qǐng)注意，當(dāng)預(yù)期的噪聲指數(shù)值比較低時(shí)，組件的增益會(huì)比較高，而隨著增益值降低，噪聲指數(shù)也會(huì)提高，但這六種狀態(tài)都還不至于落在圖3矩陣的左下方象限中。

　　由圖4的結(jié)果可清楚地看出，冷噪聲方法可相當(dāng)成功地追蹤出組件行為的變化，且當(dāng)噪聲指數(shù)因衰減增加可能變很高時(shí)，能提供最大的彈性。

　　每一組增益設(shè)定下所測(cè)量到的噪聲指數(shù)值

　　圖4 在表1訂定的每一組增益設(shè)定下所測(cè)量到的噪聲指數(shù)值。

　　Y系數(shù)方法就無(wú)法提供同樣的彈性。在第一組到第四組的增益設(shè)定中，顯然必須使用剩余噪聲功率比較低的噪聲源，而在增益值較低、噪聲指數(shù)較高的狀態(tài)下（第五組和第六組設(shè)定），則須要使用剩余噪聲功率比較高的噪聲源。在研發(fā)工作臺(tái)上，還可以直接更換噪聲源（如果有的話），然而，在使用噪聲二極管的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備中，卻并不可行。此時(shí)，正是具任意波形發(fā)生能力的噪聲源其調(diào)整彈性可充分發(fā)揮之處。

　　此外，若將采用噪聲二極管之Y系數(shù)測(cè)量方法的性能與采用具任意波形發(fā)生能力之噪聲源的Y系數(shù)測(cè)量方法相比較，兩者確實(shí)可以相提并論，代表使用的Y系數(shù)測(cè)量方法也相當(dāng)穩(wěn)健。

　　權(quán)衡數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可看出，就大量生產(chǎn)測(cè)量而言，最佳的選擇顯然為冷噪聲方法或使用具任意波形發(fā)生能力之噪聲源的Y系數(shù)方法。兩者不論在穩(wěn)定一致性、彈性、測(cè)量關(guān)聯(lián)性以及測(cè)試時(shí)間上，都能提供最佳的組合。

　　ATE與生產(chǎn)線噪聲指數(shù)測(cè)量考慮

　　由于噪聲指數(shù)測(cè)量須要分析低位準(zhǔn)的信號(hào)，因此，可能會(huì)出現(xiàn)很多的誤差來(lái)源。慶幸的是，在生產(chǎn)射頻到基帶組件的時(shí)候，較不須擔(dān)心這些因素。

　　工程人員應(yīng)切記在生產(chǎn)在線執(zhí)行噪聲指數(shù)測(cè)量時(shí)，目標(biāo)不一定是要盡一切可能地測(cè)量出最準(zhǔn)確的噪聲指數(shù)絕對(duì)值，而是要找出有意義且穩(wěn)定一致的結(jié)果，能夠與研發(fā)工作臺(tái)上得到的噪聲指數(shù)測(cè)量結(jié)果有所關(guān)聯(lián)?？赡軐?dǎo)致噪聲指數(shù)測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的因素如下所列；而參考資料2中逐一探討了每一項(xiàng)因素，并且詳細(xì)說(shuō)明這些因素對(duì)噪聲指數(shù)測(cè)量的不準(zhǔn)確度以及不確定度的影響。

　　? 噪聲功率測(cè)量的平均計(jì)算

　　由于噪聲功率測(cè)量的功率位準(zhǔn)極低，因此，將功率測(cè)量的結(jié)果加以平均計(jì)算相當(dāng)重要。

　　? 溫度的差異

　　在現(xiàn)實(shí)生活中，噪聲源的實(shí)際溫度很可能并非290K。

　　? 自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備的噪聲指數(shù)

　　如果目標(biāo)是要測(cè)量出最準(zhǔn)確的噪聲指數(shù)，就有必要取得測(cè)量噪聲功率之測(cè)試系統(tǒng)的噪聲指數(shù)。

　　? 待測(cè)組件與測(cè)試系統(tǒng)間的

　　待測(cè)組件、接觸頭、測(cè)試載板以及測(cè)試系統(tǒng)之間的任何不匹配，都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)不確定度和誤差。

　　以量產(chǎn)時(shí)測(cè)量時(shí)間最短為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

　　若要在自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備的環(huán)境中導(dǎo)入噪聲指數(shù)測(cè)量，通常必須有所取舍。舉例來(lái)說(shuō)，在降低測(cè)試成本的常態(tài)趨勢(shì)下，須盡可能縮短測(cè)量的時(shí)間，但這樣的訴求卻與測(cè)量低位準(zhǔn)信號(hào)（噪聲）的原則有所抵觸，因?yàn)闇y(cè)量低位準(zhǔn)的信號(hào)免不了須要進(jìn)行平均計(jì)算，如此來(lái)會(huì)增加測(cè)量的運(yùn)行時(shí)間。最終目標(biāo)其實(shí)是要在量產(chǎn)時(shí)，盡可能于最短的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，取得穩(wěn)定一致、與研發(fā)測(cè)試結(jié)果的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確性最高的噪聲指數(shù)值。

　　本文概要地介紹兩種最常用來(lái)測(cè)量射頻到基帶噪聲指數(shù)的方法，這兩種方法在量產(chǎn)測(cè)試上各有所長(zhǎng)。Y系數(shù)方法源于噪聲指數(shù)量表和分析儀所采用的技術(shù)，因此，是第一個(gè)會(huì)想要使用的方法。冷噪聲方法比較符合量產(chǎn)環(huán)境的需求，只須進(jìn)行一次噪聲功率測(cè)量即可，較能縮短測(cè)試時(shí)間。文中提供的矩陣有助于決定哪一種方法最適合待測(cè)組件的狀況使用。

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在批量生產(chǎn)時(shí)，測(cè)量射頻到基帶組件的最佳選擇非冷噪聲方法或使用具任意波形發(fā)生能力之噪聲源的Y系數(shù)方法莫屬。兩者不論在穩(wěn)定一致性、彈性、測(cè)量關(guān)聯(lián)性、以及測(cè)試時(shí)間上，都能提供最佳的組合。