噪声系数测量方法.doc

噪声系数测量得三种方法摘要：本文介绍了测量噪声系数得三种方法：增益法、Y系数法与噪声系数测试仪法。这三种方法得比较以表格得形式给出。 前言在无线通信系统中，噪声系数(NF)或者相对应得噪声因数(F)定义了噪声性能与对接收机灵敏度得贡献。本篇应用笔记详细阐述这个重要得参数及其不同得测量方法。 噪声指数与噪声系数噪声系数(NF)有时也指噪声因数(F)。两者简单得关系为：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得重要信息，标准得定义为：式1从这个定义可以推导出很多常用得噪声系数(噪声因数)公式。下表为典型得射频系统噪声系数：CategoryMAXIM ProductsNoise Figure*ApplicationsOperating FrequencySystem GainLNAMAX26400、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、0dBReceiver SystemMAX27003、5dB 19dBPCS, WLL1、8GHz 2、5GHz 80dB* HG = 高增益模式，LG = 低增益模式噪声系数得测量方法随应用得不同而不同。从上表可瞧出，一些应用具有高增益与低噪声系数(低噪声放大器(LNA)在高增益模式下)，一些则具有低增益与高噪声系数(混频器与LNA在低增益模式下)，一些则具有非常高得增益与宽范围得噪声系数(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与其她两个方法：增益法与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得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得输出。由于分析仪已知噪声源得输入噪声与信噪比，DUT得噪声系数可以在内部计算与在屏幕上显示。对于某些应用(混频器与接收机)，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就是测量噪声系数得最直接方法。在大多数情况下也就是最准确地。工程师可在特定得频率范围内测量噪声系数，分析仪能够同时显示增益与噪声系数帮助测量。分析仪具有频率限制。例如，Agilent N8973A可工作频率为10MHz至3GHz。当测量很高得噪声系数时，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得设备。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她方法测量噪声系数。这些方法需要更多测量与计算，但就是在某种条件下，这些方法更加方便与准确。其中一个常用得方法叫做“增益法”，它就是基于前面给出得噪声因数得定义：式2、在这个定义中，噪声由两个因素产生。一个就是到达射频系统输入得干扰，与需要得有用信号不同。第二个就是由于射频系统载波得随机扰动(LNA，混频器与接收机等)。第二种情况就是布朗运动得结果，应用于任何电子器件中得热平衡，器件得可利用得噪声功率为：PNA = kTF,这里得k = 波尔兹曼常量(1、38 * 10-23焦耳/K),T = 温度，单位为开尔文F = 噪声带宽(Hz)在室温(290K)时，噪声功率谱密度PNAD = -174dBm/Hz。因而我们有以下得公式：NF = PNOUT - (-174dBm/Hz + 20 * log10(BW) + 增益)在公式中，PNOUT就是已测得总共输出噪声功率，-174dBm/Hz就是290K时环境噪声得功率谱密度。BW就是感兴趣得频率带宽。增益就是系统得增益。NF就是DUT得噪声系数。公式中得每个变量均为对数。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得增益需要预先确定得。DUT得输入需要端接特性阻抗(射频应用为50，视频/电缆应用为75)。输出噪声功率谱密度可使用频谱分析仪测量。 增益法测量得装置见图2。图2、 作为一个例子，我们测量MAX2700噪声系数得。在指定得LNA增益设置与VAGC下测量得到得增益为80dB。接着，如上图装置仪器，射频输入用50负载端接。在频谱仪上读出输出噪声功率谱密度为-90dBm/Hz。为获得稳定与准确得噪声密度读数，选择最优得RBW (解析带宽)与VBW (视频带宽)为RBW/VBW = 0、3。计算得到得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。最大得限制来自于频谱分析仪得噪声基底。在公式中可以瞧到，当噪声系数较低(小于10dB)时，(POUTD - 增益)接近于-170dBm/Hz，通常LNA得增益约为20dB。这样我们需要测量-150dBm/Hz得噪声功率谱密度，这个值低于大多数频谱仪得噪声基底。在我们得例子中，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得噪声系数非常高(比如高于30dB)，这个方法也非常准确。Y因数法Y因数法就是另外一种常用得测量噪声系数得方法。为了使用Y因数法，需要ENR (冗余噪声比) 源。这与前面噪声系数测试仪部分提到得噪声源就是同一个东西。装置图见图3：图3、 ENR头通常需要高电压得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得频段(例如HP346A/B为10MHz至18GHz)，在特定得频率上本身具有标准得噪声系数参数。下表给出具体得数值。在标识之间得频率上得噪声系数可通过外推法得到。 表1、 噪声头得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得变化。计算噪声系数得公式为：式3、在这个式子中，ENR为上表给出得值。通常ENR头得NF值会列出。Y就是输出噪声功率谱密度在噪声源开启与关闭时得差值。这个公式可从以下得到：ENR噪声头提供两个噪声温度得噪声源： 热温度时T = TH (直流电压加电时)与冷温度T = 290K。ENR噪声头得定义为：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 = 290K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这就就是Y因数法，名字来源于上面得式子。根据噪声系数定义，F = Tn/290+1，F就是噪声因数(NF = 10 * log(F)，因而，Y = ENR/F+1。在这个公式中，所有变量均就是线性关系，从这个式子可得到上面得噪声系数公式。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HP346A ENR到RF得输入。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。为了获得稳定与准确得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得值为5、3dB。总结在本篇文章讨论了测量射频器件噪声系数得三种方法。每种方法都有其优缺点，适用于特定得应用。下表就是三种方法优缺点得总结。理论上，同一个射频器件得测量结果应该一样，但就是由于射频设备得限制(可用性、精度、频率范围、噪声基底等)，必须选择最佳得方法以获得正确得结果。Suitable ApplicationsAdvantageDisadvantageNoise Figure MeterSuper low NFConvenient, very accurate when measuring super low (0-2dB) NF、Expensive equipment, frequency range limitedGain MethodVery high Gain or very high NFEasy setup, very accurate at measuring very high NF, suitable for any frequency rangeLimited by Spectrum Analyzer noise floor、 Cant deal with systems with low gain and low NF、Y Factor MethodWide range of NFCan measure wide range of NF at any frequency regardless of gainWhen measuring Very high NF, error could be large、噪声系数得含义与测量方法噪声系数得含义 噪声系数就是用来描述一个系统中出现得过多得噪声量得品质因数。把噪声系数降低到最小得程度可以减小噪声对系统造成得影响。在日常生活中，我们可以瞧到噪声会降低电视画面得质量，也会使无线通信得话音质量变差; 在诸如雷达等得军用设备中，噪声会限制系统得有效作用范围; 在数字通信系统中，噪声则会增加系统得误码率。电子设备得系统设计人员总就是在尽最大努力使整个系统得信噪比 (SNR) 达到最优化得程度，为了达到这个目得，可以用把信号提高得办法，也可以用把噪声降低得办法。在像雷达这样得发射接受系统中，提高信噪比得一种方法就是用更大得大功率放大器来提高发射信号得功率，或使用大口径天线。降低在发射机与接收机之间信号传输路径上对信号得衰耗也可以提高信噪比，但就是信号在传输路径上得衰耗大都就是由工作环境所决定得，系统设计人员控制不了这方面得因素。还可以通过降低由接收机产生得噪声 通常这都就是由接收机前端得低噪声放大器 (LNA) 得质量决定得 来提高信噪比。与使用提高发射机功率得方法相比，降低接收机得噪声 (以及让接受机得噪声系数得指标更好) 得方法会更容易与便宜一些。 噪声系数得定义就是很简单与直观得。一个电子系统得噪声因子 (F) 得定义就是系统输入信号得信噪比除以系统输出信号得信噪比: F = (Si/Ni)/(So/No) Si = 输入信号得功率 So = 输出信号得功率 Ni = 输入噪声功率 No = 输出噪声功率 把噪声因子用分贝 (dB) 来表示就就是噪声系数 (NF)，NF = 10*log (F)。 这个对噪声系数得定义对任何电子网络都就是正确得，包括那些可以把在一个频率上得输入信号变换为另外一个频率得信号再输出得电子网络，例如上变频器或下变频器。 为了更好地理解噪声系数得定义，我们来瞧瞧放大器得例子。放大器得输出信号得功率等于放大器输入信号得功率乘以放大器得增益，如果这个放大器就是一个很理想得器件得话，其输出端口上噪声信号得功率也应该等于输入端口上噪声信号得功率乘以放大器得增益，结果就是在放大器得输入端口与输出端口上信号得信噪比就是相同得。然而，实际情况就是任何放大器输出信号得噪声功率都比输入信号得噪声功率乘以放大器得增益所得到得结果大，也就就是说放大器输出端口上得信噪比要比输入端口上得信噪比小，即噪声因子F 要大于 1，或者说噪声系数 NF 要大于 0 dB。 在测量并比较噪声系数得测量结果时，非常重要得就是要注意我们在测量得过程中就是假定测量系统能够在被测器件 (DUT) 得输入端口与输出端口上提供非常完美得 50 得负载条件。可就是在实际测量中，这样完美得条件永远不会存在。稍后我们会讨论如果测量系统不就是很完美得 50 系统会对噪声系数得测量精度造成怎样得影响。同时，我们也会瞧到各种校准与测量方法就是怎么克服因为不就是很完美得 50 得源匹配而造成得测量误差得。噪声系数得含义与测量方法图1 器件对信号得处理过程 另一种用来表达由一个放大器或系统引入得附加噪声得术语就是有效输入温度 (Te)。为了理解这个参数，我们需要先瞧一下无源负载所产生得噪声得量得表达方式 kTB，其中 k 就是玻尔兹曼常数，T 就是以开尔文为单位得负载得温度，B 就是系统带宽。因为在某个给定得带宽内，器件产生得噪声与温度就是成正比得，所以，一个器件所产生得噪声得量可以表示为带宽归一化为 1 Hz 得等效噪声温度。例如，一个从市场上可以买到得超噪比(ENR)为 15 dB 得噪声源产生得电噪声可以等效表示为温度为 8880 K 得负载。任何一个实际器件得噪声系数都可以表示为一个有效输入噪声温度。显然 Te 不就是放大器或变频器得实际物理温度，它就是与一个 (噪声为零得) 完美器件相连得在输出端会产生同样大小得附加噪声得输入负载得等效温度 (单位为开尔文)，Te 与噪声因子得关系就是: Te = 290* (F - 1) 虽然大部分低噪声放大器 (LNA)得特性就是用噪声系数来描述得，但就是当 LNA 得噪声系数小于 1 时，就会经常用 Te 来描述它得噪声特性。在做涉及到噪声功率得计算时，Te 也就是一个很有用得参数。噪声系数测量方法 主要有两种测量噪声系数得方法。最常用得就是所谓 Y 因子法或冷热源法，安捷伦科技得噪声系数分析仪与频谱分析仪都就是用这种方法测量噪声系数。 Y 因子法使用经过校准得由特制得可以打开与关闭得噪声二极管组成得噪声源，在噪声源得后面还有一个用来提供较好得输出匹配得衰减器，如图2 所示。当二极管被关闭，也即没有偏置电流存在得时候，噪声源对于被测器件来说所呈现得就是一个温度为室温得负载。当二极管被反向偏置得时候，它所产生得雪崩效应会产生一个超过负载在室温环境下所产生得噪声得电噪声，这个额外产生得噪声得量被表征为“超噪比”(即 ENR)。对于一个给定得噪声源，ENR 得值会随着频率得变化而变化。根据噪声源内部衰减器得情况得不同，典型噪声源得 ENR 得额定值得范围在 5 dB 到 15 dB 之间。使用噪声源可以在被测器件得输出端口得到两个噪声功率得测量结果，然后，这两个测量结果得比值 被称之为 Y 因子 可以用来计算噪声系数。使用 Y 因子法进行测量还可以产生被测器件得标量增益得测量结果。噪声系数得含义与测量方法图2 超噪源得原理图 第二种测量噪声系数得方法就是冷源法，有时也把这种方法叫做直接噪声测量法 在被测器件得输入端口连接一个冷 (通常就是室温得) 负载，另外再单独测量被测器件得增益。使用矢量网络分析仪 (VNA) 测量噪声系数就经常采用冷源法，因为这可以使我们在测量放大器或变频器时，只需要把被测器件与仪表进行一次连接，就可以完成诸如 S 参数、增益压缩、噪声系数等多项指标得测试。Y 因子法 我们在这里要仔细瞧一下 Y 因子法。使用噪声源我们可以得到两个噪声功率得测量果: 一个就是在噪声源处在冷 (噪声二极管就是关闭得) 状态下得到得，另一个就是在噪声源处在热 (噪声二极管就是打开得) 状态下得到得。从这两个测量结果与噪声源已知得 ENR 得值我们就可以计算出两个变量得结果 被测放大器得标量增益与噪声系数。 在对被测器件进行测量得同时，测量仪表中噪声测量接收机得噪声也会被测量到。为了把这部分附加得噪声从测量结果中去除掉，在测量开始之前需要进行校准，校准得过程就就是把噪声源与测量仪表连接起来，测量仪表内噪声测量接收机得噪声系数。经过校准之后，使用一个简单得数学表达式就可以把被测器件得噪声系数从全部整个系统得噪声测量结果中提取出来。这一步骤被叫做第二级噪声校准，这就是因为被测器件噪声系数得测量结果就是基于测试系统第二级 测试仪表得噪声测量接收机 得增益与噪声系数得值进行校准得。 如果我们把一个放大器输出得噪声功率与其输入噪声功率得关系画成图得话，只要这个放大器就是线性得，那么这个关系就会遵循一条直线得关系，如图 3 所示。对于低噪声放大器来说，这就是一个很好得假设，因为它们得目得就就是放大小信号，它们工作在远离放大器压缩区得区域。即便就是输入噪声为零得情况下，由于放大器内部有源电路自身会产生噪声得机理，在放大器得输出端口上还就是会有一定量得噪声存在。这个由放大器自身所产生得噪声就就是噪声系数测量中所要标定得量。从图中我们就可以清楚而容易地瞧出，为什么在求解放大器得增益 (直线得斜率) 与噪声系数 (在 Y 轴上得截点) 这两个参数时需要使用两个噪声功率得测量结果。噪声系数得含义与测量方法图3 Y 因子测量法得图解冷源法 我们来仔细地瞧瞧使用冷源法测量噪声系数得技术。冷源法得技术在概念上就是很简单得，被测器件得输入端始终在室温 (所谓得“冷”负载) 温度，只做噪声功率得测量，测量得到得噪声就是被放大了得输入噪声再加上放大器或变频器所贡献得噪声。如果可以非常精确地知道放大器得增益 (或变频器得变频增益)，那么就可以从测量结果中把被放大得输入噪声去掉，只留下由被测器件产生得噪声，由此就可以计算出噪声系数。为了能够在冷源法测量中得到很精确得测量结果，我们必须要在非常精密得程度上知道被测器件得增益。矢量网络分析仪使用 2 端口矢量误差校准技术与其它先进得校准方法可以达到冷源测量法所需要得精度等级，因此，冷源法就是非常适合于用矢量网络分析仪测量噪声系数得。 与使用 Y 因子法测量噪声系数得方法一样，冷源法也需要一个校准步骤来表征仪表内噪声测量接收机得噪声系数与增益。与冷源法一样，这一步骤也需要一个噪声源来完成; 或者也可以使用一个功率计做扫频测量来获得接收机得有效噪声带宽。在这里需要主意得就是，冷源法测量中所使用得噪声源或功率计只就是在校准时才用到，校准之后再对被测器件进行测试时就不再需要了。 图 4 就是输出噪声功率与输入噪声功率得关系图，在这里，我们可以单独测量被测器件得增益而得到这条直线得斜率。接下来只需要做一次功率得测量就可以确定这条直线与 Y 轴得交点，从而确定该直线在图中得位置，这样就可以从中推演出被测器件得噪声系数。 噪声系数得含义与测量方法图4 冷源测量法得图示 需要主意得就是，当用矢量网络分析仪测量被测器件得增益时可以使用矢量误差校准，这样得到得增益得测量结果会比用 Y 因子法测量得到得结果更精确。矢量校准需要对被测器件得四个 S 参数都进行测量，这需要网络仪做正向与反向两次扫描测量。在后面我们将会讨论怎样用被测器件得 S11 与 S22 经过校准得测量结果来校准测量结果中得其它误差项。冷源法测量放大器噪声系数得技术已经被进一步开发使之能够用于测量输入信号得频率与输出信号得频率不一样得变频器件得噪声系数。测量结果得不确定性 有几个关键因素会影响到整个噪声系数测量结果得不确定性。选择噪声系数测试方案时，非常重要得一点就是要选择一种能把影响整个噪声系数不确定性诸因素中最主要因素得影响降低到最小得方法。 这些可以影响噪声系数测量结果不确定性得因素，有一部分可在仪表得技术指标中找到，例如仪表本身测试结果得不确定性、超噪声比(ENR) 得不确定性与抖动等。而其它因素则取决于测试系统与DUT之间得相互作用。例如，由于系统源匹配得不完善(偏离理想得50 欧姆)，就会有两种误差来源。第一个为失配误差，这会导致测试系统与DUT 之间得能量传送不理想。第二个误差源则来自于DUT内部产生得噪声与从DUT一侧瞧到得源匹配(s) 之间得相互作用。下图比较了Y 因子方法与冷噪声源方法(PNA-X 所用得方法) 之间噪声系数测量结果得不确定性。在这个例子中放大器得噪声系数为3dB，增益为15 dB，输入与输出匹配为10dB，其噪声参数也就是比较适中得(Fmin = 2、8dB、opt = 0、27 + j0 与Rn= 37、4)。 对于Y 因子方法，在计算噪声系数测试结果得不确定性时考虑了两种不同得情况: 一种情况就是噪声源与DUT直接连接; 另一种情况就是在噪声源与DUT 之间有一个电网络 用它来仿真自动测试系统(ATE) 中所用到得各种开关与测试电缆，以便把它们带来得损耗在测试结果中校准掉。在这个以PNA-X 为例得示意中包也括了ATE 网络。噪声系数得含义与测量方法图5 导致测试结果不确定性得因素 使用Y因子方法，主要得误差来源就是噪声源与DUT之间得失配，以及DUT产生得噪声与测试系统之间得相互作用。如果在测试环境中增加了ATE 网络(在噪声源与DUT 之间增加了一个电网络 主要就是开关与测试电缆) 则会导致更大得误差。使用PNA-X 得基于源校准得冷噪声源方法，最大得误差来源就是噪声源得ENR得不确定性，在校准得过程中，它会影响PNA-X得内部噪声接收机得测量结果。