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?zé)嵩肼暪β氏?，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(dāng)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(dāng)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。