噪声系数测量方法

噪声系数测量的三种方法摘要：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(NF)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：式1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：CategoryMAXIMProductsNoiseFigure*ApplicationsOperatingFrequencySystemGainLNAMAX26400.9dBCellular,ISM400MHz~1500MHz15.1dBLNAMAX2645HG:2.3dBWLL3.4GHz~3.8GHzHG:14.4dBLG:15.5dBWLL3.4GHz~3.8GHzLG:-9.7dBMixerMAX268413.6dBLMDS,WLL3.4GHz~3.8GHz1dBMixerMAX998212dBCellular,GSM825MHz~915MHz2.0dBReceiverSystemMAX27003.5dB~19dBPCS,WLL1.8GHz~2.5GHz80dB*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，AgilentN8973A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：式2.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：PNA=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PNAD=-174dBm/Hz。因而我们有以下的公式：NF=PNOUT-(-174dBm/Hz+20*log10(BW)+增益)在公式中，PNOUT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。增益是系统的增益。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=PNOUTD+174dBm/Hz-增益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VAGC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-增益)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ENRHP346AHP346BFrequency(Hz)NF(dB)NF(dB)1G5.3915.052G5.2815.013G5.1114.864G5.0714.825G5.0714.81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：式3.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：式4.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HP346AENR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。SuitableApplicationsAdvantageDisadvantageNoiseFigureMeterSuperlowNFConvenient,veryaccuratewhenmeasuringsuperlow(0-2dB)NF.Expensiveequipment,frequencyrangelimitedGainMethodVeryhighGainorveryhighNFEasysetup,veryaccurateatmeasuringveryhighNF,suitableforanyfrequencyrangeLimitedbySpectrumAnalyzernoisefloor.Can'tdealwithsystemswithlowgainandlowNF.YFactorMethodWiderangeofNFCanmeasurewiderangeofNFatanyfrequencyregardlessofgainWhenmeasuringVeryhighNF,errorcouldbelarge.噪声系数的含义和测量方法噪声系数的含义噪声系数是用来描述一个系统中出现的过多的噪声量的品质因数。把噪声系数降低到最小的程度可以减小噪声对系统造成的影响。在日常生活中，我们可以看到噪声会降低电视画面的质量，也会使无线通信的话音质量变差;在诸如雷达等的军用设备中，噪声会限制系统的有效作用范围;在数字通信系统中，噪声则会增加系统的误码率。电子设备的系统设计人员总是在尽最大努力使整个系统的信噪比(SNR)达到最优化的程度，为了达到这个目的，可以用把信号提高的办法，也可以用把噪声降低的办法。在像雷达这样的发射接受系统中，提高信噪比的一种方法是用更大的大功率放大器来提高发射信号的功率，或使用大口径天线。降低在发射机和接收机之间信号传输路径上对信号的衰耗也可以提高信噪比，但是信号在传输路径上的衰耗大都是由工作环境所决定的，系统设计人员控制不了这方面的因素。还可以通过降低由接收机产生的噪声—通常这都是由接收机前端的低噪声放大器(LNA)的质量决定的—来提高信噪比。与使用提高发射机功率的方法相比，降低接收机的噪声(以及让接受机的噪声系数的指标更好)的方法会更容易和便宜一些。噪声系数的定义是很简单和直观的。一个电子系统的噪声因子(F)的定义是系统输入信号的信噪比除以系统输出信号的信噪比:F=(Si/Ni)/(So/No)Si=输入信号的功率So=输出信号的功率Ni=输入噪声功率No=输出噪声功率把噪声因子用分贝(dB)来表示就是噪声系数(NF)，NF=10*log(F)。这个对噪声系数的定义对任何电子网络都是正确的，包括那些可以把在一个频率上的输入信号变换为另外一个频率的信号再输出的电子网络，例如上变频器或下变频器。为了更好地理解噪声系数的定义，我们来看看放大器的例子。放大器的输出信号的功率等于放大器输入信号的功率乘以放大器的增益，如果这个放大器是一个很理想的器件的话，其输出端口上噪声信号的功率也应该等于输入端口上噪声信号的功率乘以放大器的增益，结果是在放大器的输入端口和输出端口上信号的信噪比是相同的。然而，实际情况是任何放大器输出信号的噪声功率都比输入信号的噪声功率乘以放大器的增益所得到的结果大，也就是说放大器输出端口上的信噪比要比输入端口上的信噪比小，即噪声因子F要大于1，或者说噪声系数NF要大于0dB。在测量并比较噪声系数的测量结果时，非常重要的是要注意我们在测量的过程中是假定测量系统能够在被测器件(DUT)的输入端口和输出端口上提供非常完美的50Ω的负载条件。可是在实际测量中，这样完美的条件永远不会存在。稍后我们会讨论如果测量系统不是很完美的50Ω系统会对噪声系数的测量精度造成怎样的影响。同时，我们也会看到各种校准和测量方法是怎么克服因为不是很完美的50Ω的源匹配而造成的测量误差的。噪声系数的含义和测量方法图1器件对信号的处理过程另一种用来表达由一个放大器或系统引入