噪聲系數測量的常用方法簡介

前言

在無線通信系統中，噪聲系數(NF)是RF系統設計師常用的一個參數，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計。測量噪聲系數的三種方法：增益法、Y因子法和噪聲系數測試儀法。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品測試。

關于噪聲因子和噪聲系數

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

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均是無單位物理量，噪聲因子以線性方式表示，而噪聲系數則以對數形式表示。

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

圖1.噪聲系數等于組件的固有噪聲功率與熱噪聲功率之和

噪聲系數的另一個定義是：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

噪聲系數的測量方法隨應用的不同而不同。一些應用具有高增益和低噪聲系數(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(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(接收機系統)。因此測量方法必須仔細選擇。

方法一、使用噪聲系數測試儀

噪聲系數測試/分析儀測量框圖如下圖所示。

圖2.噪聲系數測試/分析儀測量框圖

噪聲系數測試儀產生28VDC脈沖信號驅動噪聲源，該噪聲源產生噪聲驅動待測器件(DUT)，使用噪聲系數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。對于某些應用(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測試儀中設置某些參數，如頻率范圍、應用(放大器/混頻器)等。

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

方法二、增益法

前面提到，除了直接使用噪聲系數測試儀外還可以采用其他方法測量噪聲系數。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的定義：

在這個定義中，噪聲由兩個因素產生。一個是到達射頻系統輸入的干擾，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時環境噪聲的功率譜密度。BW是感興趣的頻率帶寬。增益是系統的增益。NF是DUT的噪聲系數。公式中的每個變量均為對數。為簡化公式，我們可以直接測量輸出噪聲功率譜密度(dBm/Hz)，這時公式變為：

為了使用增益法測量噪聲系數，DUT的增益需要預先確定的。DUT的輸入需要端接特性阻抗負載(射頻應用為50Ω，視頻/電纜應用為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.噪聲系數增益法測量框圖

如圖所示，在指定的LNA增益設置和VAGC下測量得到的DUT增益為80dB。接著，如上圖設置儀器，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。為獲得穩定和準確的噪聲密度讀數，選擇最優的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。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，這個值低于大多數頻譜儀的噪聲基底。在我們的例子中，系統增益非常高，因而大多數頻譜儀均可準確測量噪聲系數。類似地，如果DUT的噪聲系數非常高(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。這和前面噪聲系數測試儀部分提到的噪聲源是同一個東西。

圖4.噪聲系數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。而標定頻率外的噪聲系數可通過外推法得到。

開啟或者關閉噪聲源(通過開關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測量選件之后，進行噪聲系數的測量。如下圖，首先需要做校準；然后串聯對應的DUT，進行實際的噪聲系數測量。

圖5.頻譜儀測量放大器噪聲系數示意圖：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；測試結果如下圖。整體測量結果與產品技術規格書保持了一致。

圖6.普尚SP900P的噪聲系數測量圖

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行發射器一鍵式噪聲系數和增益測量。測量包括噪聲系數、增益、Y因數、有效溫度和熱態/冷態功率密度。使用測量不確定度計算器可估算總體噪聲系數。

總結

本篇文章共討論了測量射頻器件噪聲系數的三種方法。每種方法都有其優缺點，適用于特定的應用。理論上，同一個射頻器件的測量結果應該一樣，但是由于射頻設備的限制(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果。