噪聲系數(shù)測(cè)量方法和公式

介紹了三種不同的噪聲系數(shù)測(cè)量方法：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

在無線通信系統(tǒng)中，“噪聲系數(shù)（NF）”或相關(guān)的“噪聲系數(shù)（F）”是用于指定無線電接收器性能的數(shù)字。噪聲系數(shù)值越低，性能越好。本教程更詳細(xì)地討論了這個(gè)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)和噪聲因數(shù)

噪聲系數(shù) （NF） 有時(shí)也稱為噪聲系數(shù) （F）。關(guān)系很簡(jiǎn)單：

NF = 10 * log10 （F）

定義

噪聲系數(shù)（噪聲因數(shù)）包含有關(guān)RF系統(tǒng)噪聲性能的重要信息?；径x是：

從這個(gè)定義中，可以推導(dǎo)出許多其他流行的噪聲系數(shù)（噪聲因子）方程。

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），一些具有非常高的增益和寬范圍的噪聲系數(shù)（接收器系統(tǒng)）。必須仔細(xì)選擇測(cè)量方法。本文將討論噪聲系數(shù)計(jì)以及其他兩種常用方法——“增益法”和“Y因子法”。

使用噪聲系數(shù)計(jì)

采用噪聲系數(shù)計(jì)/分析儀如圖1所示。

圖1.

噪聲系數(shù)計(jì)（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），從而產(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)量被測(cè)器件的輸出。由于分析儀知道噪聲源的輸入噪聲和信噪比，因此可以在內(nèi)部計(jì)算并顯示DUT的噪聲系數(shù)。對(duì)于某些應(yīng)用（混頻器和接收器），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)計(jì)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)，分析儀可以顯示系統(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。分析儀有一定的頻率限制。例如，安捷倫 N8973A 的工作頻率范圍為 10MHz 至 3GHz。此外，當(dāng)測(cè)量高噪聲系數(shù)時(shí)，例如，超過10dB的噪聲系數(shù)，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。

增益方式

如上所述，除了直接使用噪聲系數(shù)計(jì)之外，還有其他方法可以測(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，它們更方便、更準(zhǔn)確。一種流行的方法稱為“增益方法”，它基于前面給出的噪聲因子定義：

在這個(gè)定義中，“噪聲”是由于兩個(gè)效應(yīng)。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。第二種是由于射頻系統(tǒng)中載波（LNA、混頻器、接收器等）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，并且來自設(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 = 以開爾文為單位的溫度，
ΔF = 噪聲帶寬 （Hz）。

室溫（290ΔK）下，噪聲功率密度P納德= -174分貝/赫茲。

因此，我們有以下等式：

NF = PNOUT - (-174dBm/Hz + 10 * log10(BW) + Gain)

在方程中，P內(nèi)特是測(cè)得的總輸出噪聲功率。-174dBm/Hz是290°K環(huán)境噪聲的噪聲密度。帶寬是目標(biāo)頻率范圍的帶寬。增益是系統(tǒng)增益。NF是DUT的噪聲系數(shù)。等式中的所有內(nèi)容都是對(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（以dBm/Hz為單位），公式為：

NF = PNOUTD + 174dBm/Hz - Gain

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，DUT的輸入端接特性阻抗（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2所示。

圖2.

例如，我們測(cè)量MAX2700的噪聲系數(shù)。在指定的LNA增益設(shè)置和V下AGC，測(cè)量增益為80dB。然后，如上所示設(shè)置器件，并以50Ω端接端接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)算出 NF 為：

-90dBm/Hz + 174dBm/Hz - 80dB = 4.0dB。

“增益方法”可以覆蓋任何頻率范圍，只要頻譜分析儀允許。最大的限制來自頻譜分析儀的本底噪聲。如公式所示，當(dāng)噪聲系數(shù)低（低于10dB）時(shí)，（P出- 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)頻譜分析儀的本底噪聲。在我們的示例中，系統(tǒng)增益非常高，因此大多數(shù)頻譜分析儀都可以準(zhǔn)確測(cè)量噪聲系數(shù)。同樣，如果DUT的噪聲系數(shù)非常高（例如，超過30dB），這種方法也可以非常準(zhǔn)確。

Y因子法

Y因子法是另一種流行的測(cè)量噪聲系數(shù)的方法。要使用Y因子方法，需要一個(gè)ENR（超噪比）源。這與我們前面在“噪聲系數(shù)計(jì)”部分中提到的噪聲源相同。設(shè)置如圖 3 所示：

圖3.

ENR 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磁頭工作是一個(gè)非常寬的頻段（例如，HP10A / B為18MHz至346GHz），并且在指定頻率下它們具有自己的標(biāo)準(zhǔn)噪聲系數(shù)參數(shù)。下面給出了一個(gè)示例表。這些標(biāo)記之間頻率處的噪聲系數(shù)是外推的。

打開和關(guān)閉噪聲源（通過打開和關(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。

該等式來自以下幾點(diǎn)：

ENR 噪聲頭在兩個(gè)“噪聲溫度”下提供噪聲源：熱 T = TH（施加直流電壓時(shí)）和冷 T = 290°K。 噪聲頭ENR的定義是：

多余的噪聲是通過偏置一個(gè)嘈雜的二極管來實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在考慮施加冷 T = 290°K 時(shí)放大器 （DUT） 的功率輸出比，然后施加熱 T = TH作為輸入：

Y = G（Th + Tn）/G（290 + Tn） = （Th/290 + Tn/290）/（1 + Tn/290）。

這是 Y 因子，此方法由此得名。

就噪聲系數(shù)而言，F(xiàn) = Tn/290+1，F(xiàn) 是噪聲因子 （NF = 10 * log（F））因此，Y = ENR/F+1。在這個(gè)等式中，一切都處于線性狀態(tài)，由此我們可以得到上面的等式。

同樣，我們以MAX2700為例，說明如何用Y因子法測(cè)量噪聲系數(shù)。設(shè)置如上圖 3 所示。將 HP346A ENR 噪聲頭連接到射頻輸入。將 28V 直流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。通過關(guān)閉然后打開直流電源，噪聲密度從-90dBm/Hz增加到-87dBm/Hz。所以 y = 3dB。同樣，為了獲得穩(wěn)定準(zhǔn)確的噪聲密度讀數(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)算出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。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，每種都適用于某些應(yīng)用。以下是優(yōu)缺點(diǎn)的摘要表。從理論上講，同一RF設(shè)備的測(cè)量結(jié)果應(yīng)該是相同的，但由于RF設(shè)備的限制（可用性，精度，頻率范圍，本底噪聲等），我們必須仔細(xì)選擇最佳方法才能獲得正確的結(jié)果。

審核編輯：郭婷