噪聲系數(shù)測量的常用方法簡介

前言

在無線通信系統(tǒng)中，噪聲系數(shù)(NF)是RF系統(tǒng)設(shè)計師常用的一個參數(shù)，它用于表征RF放大器、混頻器等器件的噪聲，并且被廣泛用作無線電接收機設(shè)計。測量噪聲系數(shù)的三種方法：增益法、Y因子法和噪聲系數(shù)測試儀法。本文主要介紹這三種方法，并用普尚SP900系列頻譜儀進行實際的產(chǎn)品測試。

關(guān)于噪聲因子和噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)(NF)有時也指噪聲因子(F)。噪聲系數(shù)(Noise Figure)是對數(shù)標度(分貝)，噪聲因子(Noise Figure)是線性標度。兩者簡單的關(guān)系為：

NF = 10 × log10 (F)

定義

最早的定義之一由Harold Friis在20世紀40年代所提出。在Friis的定義中，噪聲因子(噪聲系數(shù)的線性等效物理量)是特定信號通過特定組件時的信號比(SNR)的降低量。噪聲因子和噪聲系數(shù)均是無單位物理量，噪聲因子以線性方式表示，而噪聲系數(shù)則以對數(shù)形式表示。

如上式所示，如果LNA輸入端的信號的SNR為100dB，噪聲系數(shù)為5dB，那么 輸出端的SNR為100-5dB = 95dB。如下圖所示，噪聲系數(shù)為X dB的“黑箱”組件將使SNR降低X dB。

圖1.噪聲系數(shù)等于組件的固有噪聲功率與熱噪聲功率之和

噪聲系數(shù)的另一個定義是：在-174dBm/Hz的常溫熱噪聲功率下，特定有源器件和無源器件額外引入的噪聲功率，以dB為單位。該定義與IEEE對噪聲因子的 定義相吻合，后者已被廣泛接受，用下列等式來表示。

其中k表示波爾茲曼常量

T0表示常溫

B表示帶寬

G表示DUT的增益

噪聲系數(shù)的測量方法隨應(yīng)用的不同而不同。一些應(yīng)用具有高增益和低噪聲系數(shù)(低噪聲放大器(LNA)在高增益模式下)，一些則具有低增益和高噪聲系數(shù)(混頻器和LNA在低增益模式下)，一些則具有非常高的增益和寬范圍的噪聲系數(shù)(接收機系統(tǒng))。因此測量方法必須仔細選擇。

方法一、使用噪聲系數(shù)測試儀

噪聲系數(shù)測試/分析儀測量框圖如下圖所示。

圖2.噪聲系數(shù)測試/分析儀測量框圖

噪聲系數(shù)測試儀產(chǎn)生28VDC脈沖信號驅(qū)動噪聲源，該噪聲源產(chǎn)生噪聲驅(qū)動待測器件(DUT)，使用噪聲系數(shù)分析儀測量待測器件的輸出噪聲。由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，進而計算得出DUT的噪聲系數(shù)。對于某些應(yīng)用(混頻器和接收機)，可能需要本振(LO)信號，如圖2所示。當然，測量之前必須在噪聲系數(shù)測試儀中設(shè)置某些參數(shù)，如頻率范圍、應(yīng)用(放大器/混頻器)等。

使用噪聲系數(shù)測試儀是測量噪聲系數(shù)的最直接方法，在大多數(shù)情況下也是最準確的。工程師可在特定的頻率范圍內(nèi)測量噪聲系數(shù)，分析儀能夠同時顯示增益和噪聲系數(shù)。當測量很高的噪聲系數(shù)時，例如噪聲系數(shù)超過10dB，測量結(jié)果非常不準確。這種方法需要非常昂貴的設(shè)備。

方法二、增益法

前面提到，除了直接使用噪聲系數(shù)測試儀外還可以采用其他方法測量噪聲系數(shù)。這些方法需要更多測量和計算，但是在某種條件下，這些方法更加方便和準確。其中一個常用的方法叫做“增益法”，它是基于前面給出的噪聲因數(shù)的定義：

在這個定義中，噪聲由兩個因素產(chǎn)生。一個是到達射頻系統(tǒng)輸入的干擾，與需要的有用信號不同。第二個是由于射頻系統(tǒng)載波的隨機擾動(LNA，混頻器和接收機等)。第二種情況是布朗運動的結(jié)果，作用于任何電子器件中的熱平衡。

在室溫時，噪聲功率譜密度PNAD = -174dBm/Hz。

因而有以下的公式：

在公式中，PNOUT是已測的總共輸出噪聲功率，-174dBm/Hz是290°K時環(huán)境噪聲的功率譜密度。BW是感興趣的頻率帶寬。增益是系統(tǒng)的增益。NF是DUT的噪聲系數(shù)。公式中的每個變量均為對數(shù)。為簡化公式，我們可以直接測量輸出噪聲功率譜密度(dBm/Hz)，這時公式變?yōu)椋?

為了使用增益法測量噪聲系數(shù)，DUT的增益需要預(yù)先確定的。DUT的輸入需要端接特性阻抗負載(射頻應(yīng)用為50Ω，視頻/電纜應(yīng)用為75Ω)。輸出噪聲功率譜密度可使用頻譜分析儀測量。

增益法測量的框圖見下圖所示。

圖3.噪聲系數(shù)增益法測量框圖

如圖所示，在指定的LNA增益設(shè)置和VAGC下測量得到的DUT增益為80dB。接著，如上圖設(shè)置儀器，射頻輸入用50Ω負載端接。在頻譜儀上讀出輸出噪聲功率譜密度為-90dBm/Hz。為獲得穩(wěn)定和準確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)的RBW (分析帶寬)與VBW (視頻帶寬)為RBW/VBW = 0.3。計算得到的NF為：-90dBm/Hz + 174dBm/Hz - 80dB = 4.0dB

只要頻譜分析儀允許，增益法可適用于任何頻率范圍內(nèi)。最大的限制來自于頻譜分析儀的噪聲基底。在公式中可以看到，當噪聲系數(shù)較低(小于10dB)時，(POUTD -增益)接近于-170dBm/Hz，通常LNA的增益約為20dB。這樣我們需要測量-150dBm/Hz的噪聲功率譜密度，這個值低于大多數(shù)頻譜儀的噪聲基底。在我們的例子中，系統(tǒng)增益非常高，因而大多數(shù)頻譜儀均可準確測量噪聲系數(shù)。類似地，如果DUT的噪聲系數(shù)非常高(比如高于30dB)，這個方法也非常準確。

方法三、Y因子法

Y因子法是另外一種常用的測量噪聲系數(shù)的方法。為了使用Y因子法，需要ENR (超噪比)源。這和前面噪聲系數(shù)測試儀部分提到的噪聲源是同一個東西。

圖4.噪聲系數(shù)Y因子法測量框圖

ENR噪聲源通常需要高電壓的DC電源輸入，這些ENR噪聲源能夠工作在非常寬的頻段，本身在特定的頻率上具有標準的噪聲系數(shù)。而標定頻率外的噪聲系數(shù)可通過外推法得到。

開啟或者關(guān)閉噪聲源(通過開關(guān)DC電壓)，工程師可使用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率譜密度的變化。計算噪聲系數(shù)的公式為：

在這個式子中，ENR通常會列出。Y是輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關(guān)閉時的差值。

測量案例

在實際測量中，我們最常見的就是頻譜分析儀加裝噪聲系數(shù)測量選件之后，進行噪聲系數(shù)的測量。如下圖，首先需要做校準；然后串聯(lián)對應(yīng)的DUT，進行實際的噪聲系數(shù)測量。

圖5.頻譜儀測量放大器噪聲系數(shù)示意圖：校準(上)；測量(下)

我們選用的噪聲源是NC346Ka，DUT是14GHz的Mini公司的ZX60-14012L-S+放大器；測試結(jié)果如下圖。整體測量結(jié)果與產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格書保持了一致。

圖6.普尚SP900P的噪聲系數(shù)測量圖

普尚SP900P頻譜與信號分析儀可使用多點觸控用戶界面操作執(zhí)行發(fā)射器一鍵式噪聲系數(shù)和增益測量。測量包括噪聲系數(shù)、增益、Y因數(shù)、有效溫度和熱態(tài)/冷態(tài)功率密度。使用測量不確定度計算器可估算總體噪聲系數(shù)。

總結(jié)

本篇文章共討論了測量射頻器件噪聲系數(shù)的三種方法。每種方法都有其優(yōu)缺點，適用于特定的應(yīng)用。理論上，同一個射頻器件的測量結(jié)果應(yīng)該一樣，但是由于射頻設(shè)備的限制(可用性、精度、頻率范圍、噪聲基底等)，必須選擇最佳的方法以獲得正確的結(jié)果。