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如何描述噪聲系數(shù)的大小呢?噪聲系數(shù)該如何測(cè)試呢?

羅德與施瓦茨中國(guó) ? 來源:羅德與施瓦茨中國(guó) ? 2024-03-29 13:40 ? 次閱讀

噪聲系數(shù)測(cè)試的意義

噪聲系數(shù)(Noise Figure)指標(biāo)可用于衡量信號(hào)經(jīng)過待測(cè)件后有多少噪聲被疊加在輸入信號(hào)之上,可量化有用信號(hào)輸入待測(cè)件后信噪比(SNR)惡化的程度。它是射頻微波有源器件的關(guān)鍵指標(biāo),尤其對(duì)于射頻前端的低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA),決定了整個(gè)接收鏈路的噪聲系數(shù),將直接影響系統(tǒng)的接收靈敏度。

如何描述噪聲系數(shù)的大小呢?噪聲系數(shù)的一般定義為:待測(cè)件輸入信噪比與輸出信噪比的比值,F(xiàn)=(Sin/Nin)/(Sout/Nout)。假定輸入信號(hào)由兩部分組成,輸入有用信號(hào)Sin和輸入噪聲Nin,因此待測(cè)件輸入端的信噪比為Sin/Nin。如果待測(cè)件的增益為G,Sout=SinG,輸出信噪比Sout/Nout=SinG/Nout,因此有F=Nout/NinG,所以噪聲系數(shù)也可以定義為待測(cè)件輸出噪聲功率與輸入噪聲功率和待測(cè)件增益乘積的比值。

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圖一 待測(cè)件輸入與輸出信噪比

噪聲系數(shù)的線性表征為F=Nout/NinG,稱之為噪聲因子;噪聲系數(shù)的對(duì)數(shù)表征為FdB=10logF=10log(Nout/NinG),稱之為噪聲系數(shù),噪聲系數(shù)的對(duì)數(shù)表征FdB使用更為廣泛。

相位噪聲系數(shù)測(cè)試方法

噪聲系數(shù)指標(biāo)是有源器件的關(guān)鍵指標(biāo),噪聲系數(shù)的測(cè)試變得越來越廣泛和重要。噪聲系數(shù)測(cè)試主要有三種測(cè)試方法,第一種方法是只使用頻譜儀的增益法,這是一種簡(jiǎn)化的方法,不需要噪聲源,被測(cè)件的增益已知并且非常高時(shí)才可使用,精度有限(不如后面兩種方法);第二種方法是使用噪聲源和頻譜儀測(cè)試的Y因子法,該測(cè)試方法相對(duì)簡(jiǎn)單,經(jīng)過校準(zhǔn)可以達(dá)到相當(dāng)高的測(cè)量精度;第三種方法是使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的冷源法,該方法對(duì)測(cè)試條件要求較高,滿足條件時(shí)測(cè)試精度非常高,并且可以一次連接完成幾乎所有指標(biāo)的測(cè)試,測(cè)試效率非常高。

增益法測(cè)試噪聲系數(shù)只需要使用頻譜儀,沒有從測(cè)試結(jié)果中消除頻譜儀自身噪聲帶來的影響,精度有限。分為兩步:第一步被測(cè)件輸入端端接50歐負(fù)載,在頻譜儀上測(cè)得的功率被認(rèn)為被測(cè)件自身輸出的噪聲功率;第二步,根據(jù)被測(cè)件的增益計(jì)算噪聲系數(shù)結(jié)果。

Y因子法測(cè)試噪聲系數(shù)需要使用頻譜儀和噪聲源,能夠從測(cè)試結(jié)果中去除頻譜儀自身噪聲系數(shù)對(duì)測(cè)試引入的影響。分為兩步:第一步頻譜儀噪聲系數(shù)的校準(zhǔn);第二步測(cè)試待測(cè)件的噪聲系數(shù)。噪聲源用于為待測(cè)件提供噪聲功率,具有On和Off兩個(gè)狀態(tài),分別對(duì)應(yīng)不同的等效噪聲溫度。頻譜儀通過Noise Source Control(+28V) 接口控制噪聲源的開、關(guān)狀態(tài)。下圖為信號(hào)與頻譜分析儀FSW的噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果。

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圖二 基于FSW信號(hào)與頻譜分析儀的噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示

冷源法測(cè)試噪聲系數(shù)需要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,通過校準(zhǔn)來表征矢網(wǎng)的測(cè)量接收機(jī)的噪聲系數(shù),可以使用一個(gè)功率計(jì)做掃頻測(cè)量來獲得接收機(jī)的有效噪聲帶寬。在這里需要主意的是,冷源法測(cè)量中所使用的功率計(jì)只是在校準(zhǔn)時(shí)才用到,校準(zhǔn)之后再對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行測(cè)試時(shí)就不再需要了。

使用等于系統(tǒng)阻抗的電阻負(fù)載連接被測(cè)件的輸入,測(cè)量被測(cè)件的輸出噪聲功率,再使用兩端口S參數(shù)測(cè)量被測(cè)件的增益,并利用這兩個(gè)結(jié)果計(jì)算得到噪聲系數(shù)。由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀單獨(dú)就能完成增益的測(cè)量,冷源法通常與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一起使用。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可同時(shí)實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)測(cè)量、S 參數(shù)測(cè)量、壓縮測(cè)量、交調(diào)測(cè)量與變頻測(cè)量,提高了測(cè)量效率,同時(shí)也減小了反復(fù)連接帶來的不確定性。下圖為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNA的噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果。

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圖三 基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNA的噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示

總 結(jié)

使用頻譜儀的增益法、Y因子法和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的冷源法都可以進(jìn)行噪聲系數(shù)的測(cè)試。但是增益法進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)試時(shí)無法測(cè)試DUT的增益和頻譜儀的噪聲系數(shù),因此測(cè)量精度非常有限。頻譜儀的Y因子法和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的冷源法都有校準(zhǔn)的過程,噪聲系數(shù)的測(cè)量精度很高,使用更為廣泛和普遍。




審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:【實(shí)踐分享】| 不懂就問,噪聲系數(shù)如何測(cè)

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