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為了衡量某一線性電路(如放大器)或一系統(tǒng)(如接收機(jī))的噪聲特性，通常需要引入一個(gè)衡量電路或系統(tǒng)內(nèi)部噪聲大小的量度。有了這種量度就可以比較不同電路噪聲性能的好壞，也可以據(jù)此進(jìn)行測(cè)量。廣泛使用的一個(gè)噪聲量度稱作噪聲系數(shù)。本文介紹了測(cè)量噪聲系數(shù)的三種方法：增益法、Y系數(shù)法和噪聲系數(shù)測(cè)試儀法。這三種方法的比較以表格的形式給出。

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，噪聲系數(shù)（NF）或者相對(duì)應(yīng)的噪聲因數(shù)(F)定義了噪聲性能和對(duì)接收機(jī)靈敏度的貢獻(xiàn)。本篇應(yīng)用筆記詳細(xì)闡述這個(gè)重要的參數(shù)及其不同的測(cè)量方法。

噪聲指數(shù)和噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)(NF)有時(shí)也指噪聲因數(shù)(F)。兩者簡(jiǎn)單的關(guān)系為：

NF = 10 * log10 (F)

噪聲系數(shù)（噪聲因數(shù)）包含了射頻系統(tǒng)噪聲性能的重要信息，標(biāo)準(zhǔn)的定義為：

從這個(gè)定義可以推導(dǎo)出很多常用的噪聲系數(shù)(噪聲因數(shù))公式。

下表為典型的射頻系統(tǒng)噪聲系數(shù)：

噪聲系數(shù)的測(cè)量方法隨應(yīng)用的不同而不同。從上表可看出，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(jī)系統(tǒng)）。因此測(cè)量方法必須仔細(xì)選擇。本文中將討論噪聲系數(shù)測(cè)試儀法、增益法以及Y系數(shù)法。

使用噪聲系數(shù)測(cè)試儀

噪聲系數(shù)測(cè)試/分析儀在圖1種給出。

圖1

噪聲系數(shù)測(cè)試儀，如Agilent的N8973A噪聲系數(shù)分析儀，產(chǎn)生28VDC脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)噪聲源(HP346A/B)，該噪聲源產(chǎn)生噪聲驅(qū)動(dòng)待測(cè)器件(DUT)。使用噪聲系數(shù)分析儀測(cè)量待測(cè)器件的輸出。由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，DUT的噪聲系數(shù)可以在內(nèi)部計(jì)算和在屏幕上顯示。對(duì)于某些應(yīng)用(混頻器和接收機(jī))，可能需要本振(LO)信號(hào)，如圖1所示。當(dāng)然，測(cè)量之前必須在噪聲系數(shù)測(cè)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(cè)試儀是測(cè)量噪聲系數(shù)的最直接方法。在大多數(shù)情況下也是最準(zhǔn)確地。工程師可在特定的頻率范圍內(nèi)測(cè)量噪聲系數(shù)，分析儀能夠同時(shí)顯示增益和噪聲系數(shù)幫助測(cè)量。分析儀具有頻率限制。例如，Agilent N8973A可工作頻率為10MHz至3GHz。當(dāng)測(cè)量很高的噪聲系數(shù)時(shí)，例如噪聲系數(shù)超過(guò)10dB，測(cè)量結(jié)果非常不準(zhǔn)確。這種方法需要非常昂貴的設(shè)備。

增益法

前面提到，除了直接使用噪聲系數(shù)測(cè)試儀外還可以采用其他方法測(cè)量噪聲系數(shù)。這些方法需要更多測(cè)量和計(jì)算，但是在某種條件下，這些方法更加方便和準(zhǔn)確。其中一個(gè)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(gè)定義中，噪聲由兩個(gè)因素產(chǎn)生。一個(gè)是到達(dá)射頻系統(tǒng)輸入的干擾，與需要的有用信號(hào)不同。第二個(gè)是由于射頻系統(tǒng)載波的隨機(jī)擾動(dòng)(LNA，混頻器和接收機(jī)等)。第二種情況是布朗運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，應(yīng)用于任何電子器件中的熱平衡，器件的可利用的噪聲功率為：

PNA = kTΔF,

這里的k = 波爾茲曼常量(1.38 * 10-23焦耳/ΔK),

T = 溫度，單位為開爾文

ΔF = 噪聲帶寬(Hz)

在室溫(290ΔK)時(shí)，噪聲功率譜密度PNAD = -174dBm/Hz。

因而我們有以下的公式：

NF = PNOUT - (-174dBm/Hz + 20 * log10(BW) + 增益)

在公式中，PNOUT是已測(cè)的總共輸出噪聲功率，-174dBm/Hz是290°K時(shí)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(gè)變量均為對(duì)數(shù)。為簡(jiǎn)化公式，我們可以直接測(cè)量輸出噪聲功率譜密度(dBm/Hz)，這時(shí)公式變?yōu)椋?/span>

NF = PNOUTD + 174dBm/Hz - 增益

為了使用增益法測(cè)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(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(cè)量。

增益法測(cè)量的裝置見(jiàn)圖2。

圖2

作為一個(gè)例子，我們測(cè)量MAX2700噪聲系數(shù)的。在指定的LNA增益設(shè)置和VAGC下測(cè)量得到的增益為80dB。接著，如上圖裝置儀器，射頻輸入用50Ω負(fù)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(zhǔn)確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)的RBW (解析帶寬)與VBW (視頻帶寬)為RBW/VBW = 0.3。計(jì)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(lái)自于頻譜分析儀的噪聲基底。在公式中可以看到，當(dāng)噪聲系數(shù)較低(小于10dB)時(shí)，(POUTD - 增益)接近于-170dBm/Hz，通常LNA的增益約為20dB。這樣我們需要測(cè)量-150dBm/Hz的噪聲功率譜密度，這個(gè)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(zhǔn)確測(cè)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(gè)方法也非常準(zhǔn)確。

Y因數(shù)法

Y因數(shù)法是另外一種常用的測(cè)量噪聲系數(shù)的方法。為了使用Y因數(shù)法，需要ENR (冗余噪聲比) 源。這和前面噪聲系數(shù)測(cè)試儀部分提到的噪聲源是同一個(gè)東西。裝置圖見(jiàn)圖3：

圖3

ENR頭通常需要高電壓的DC電源。比如HP346A/B噪聲源需要28VDC。這些ENR頭能夠工作在非常寬的頻段(例如HP346A/B為10MHz至18GHz)，在特定的頻率上本身具有標(biāo)準(zhǔn)的噪聲系數(shù)參數(shù)。下表給出具體的數(shù)值。在標(biāo)識(shí)之間的頻率上的噪聲系數(shù)可通過(guò)外推法得到。

表1. 噪聲頭的ENR

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

在這個(gè)式子中，ENR為上表給出的值。通常ENR頭的NF值會(huì)列出。Y是輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關(guān)閉時(shí)的差值。

這個(gè)公式可從以下得到：

ENR噪聲頭提供兩個(gè)噪聲溫度的噪聲源：

熱溫度時(shí)T = TH (直流電壓加電時(shí))和冷溫度T = 290°K。

ENR噪聲頭的定義為：

冗余噪聲通過(guò)給噪聲二極管加偏置得到。現(xiàn)在考慮在冷溫度T = 290°K時(shí)與在熱溫度T = TH時(shí)放大器(DUT)功率輸出比：

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

這就是Y因數(shù)法，名字來(lái)源于上面的式子。

根據(jù)噪聲系數(shù)定義，F(xiàn) = Tn/290+1，F(xiàn)是噪聲因數(shù)(NF = 10 * log(F))，因而，Y = ENR/F+1。在這個(gè)公式中，所有變量均是線性關(guān)系，從這個(gè)式子可得到上面的噪聲系數(shù)公式。

我們?cè)俅问褂肕AX2700作為例子演示如何使用Y因數(shù)法測(cè)量噪聲系數(shù)。裝置圖見(jiàn)圖3。連接HP346A ENR到RF的輸入。連接28V直流電壓到噪聲源頭。我們可以在頻譜儀上監(jiān)視輸出噪聲功率譜密度。開/關(guān)直流電源，噪聲譜密度從-90dBm/Hz變到-87dBm/Hz。所以Y = 3dB。為了獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲功率譜密度讀數(shù)，RBW/VBW設(shè)置為0.3。從表2得到，在2GHz時(shí)ENR = 5.28dB，因而我們可以計(jì)算NF的值為5.3dB。

小結(jié)

由于放大器本身有噪聲，輸出端的信噪比和輸入端信噪比是不一樣的，為此，使用噪聲系數(shù)來(lái)衡量放大器本身的噪聲水平。該系數(shù)表征放大器的噪聲性能惡化程度的一個(gè)參量，并不是越大越好，它的值越大，說(shuō)明在傳輸過(guò)程中摻入的噪聲也就越大，反映了器件或者信道特性的不理想。

在一些部件和系統(tǒng)中，噪聲對(duì)它們性能的影響主要表現(xiàn)于信號(hào)與噪聲的相對(duì)大小，即信號(hào)噪聲功率比上。就以收音機(jī)和電視機(jī)來(lái)說(shuō)，若輸出端的信噪比越大，聲音就越清楚，圖像就越清晰。因此，希望有這樣的電路和系統(tǒng)：當(dāng)有用信號(hào)和輸入端的噪聲通過(guò)它們時(shí)，此系統(tǒng)不引入附加的噪聲。這意味著輸出端與輸入端具有相同的信噪比。實(shí)際上，由于電路或系統(tǒng)內(nèi)部總有附加噪聲，信噪比不可能不變。我們希望輸出端信噪比的下降應(yīng)盡可能小。

以上本文討論了測(cè)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(diǎn)，適用于特定的應(yīng)用。下表是三種方法優(yōu)缺點(diǎn)的總結(jié)。理論上，同一個(gè)射頻器件的測(cè)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。