噪声指数测量.doc

1. 噪声指数介绍
灵敏度、bit error radio（BER）、噪声指数（NF）是评价接收系统处理弱信号能力的三个参数指标。其中BER主要用于数字系统，噪声指数和系统带宽可以推出系统的灵敏度指标，因此噪声指数测量是评价接收系统的主要指标。
噪声指数不但可以评价整个系统，而且可以评价单个元件（放大器、混频器等）。测量噪声指数是最小化接收系统的噪声问题，因为一但噪声混入信号，接收系统不再能区分出来在信号频率范围内的噪声。
噪声指数总是和双端口网络相对应的。混频器也被当作双端口网络（本振为第三端口），但是本振的噪声特性也影响整个系统的噪声指数。噪声指数不能评价单端口网络，比如终端、天线振荡器等。
噪声指数应与增益分开考虑，后续的放大器不改变信噪比。
噪声系数F定义

其中：G为系统增益，Na为系统噪声，To为温度（290k），B为系统噪声带宽。
噪声指数NF＝10logF
噪声指数的含义：被测系统引入的噪声是290K温度下热噪声的多少倍。因此也可用噪声温度来评价被测系统。噪声温度与噪声指数、噪声系数的关系如下。
To＝290K
噪声指数
噪声系数
噪声温度
噪声相对百分比
理论信噪比变化（输入噪声为290K）
0dB
1
0 K
0％
100％
0.5dB
1.122
35.4 K
12.2％
89.1％
1dB
1.26
75.1 K
26％
79.36％
1.7dB
1.479
138.9 K
47.9％
67.6％
3dB
2
290 K
100％
50％
10dB
10
2610 K
900％
10％
20dB
100
28710 K
9900％
1％

2. 噪声源
噪声源提供两个确定的噪声电平，一般以等效噪声温度来表示。大多数主流噪声源由一个特殊的二极管工作在反偏直流状态，由雪崩击穿，产生噪声。
噪声源的主要参数为ENR，即超噪比。

其中，Th为热噪声温度，Tc为冷噪声温度，T0为标准参考温度290K。
噪声源的主要指标是超噪比和频率范围。实际应用中，噪声源的超噪比是频率相关的，以表格的形式提供。
3． 噪声指数的测量方法：Y参数方法
主要测量原理：将被测原件和测量仪表看作一个两级系统。首先用噪声源标定测量仪表的噪声指数，然后用噪声源标定整个两级系统的噪声指数，利用两级系统的噪声指数公式，反算出被测量器件的噪声指数。如下示意图。

4. 安捷伦提供的噪声指数测量方案
噪声指数测量的前提是被测器件的噪声增益是线性的。对自动增益模块测量NF是无效的。
4.1噪声指数分析仪
主要由接收机（带有精确功率计）和噪声源驱动电路两部分组成。提供ENR输入，显示噪声指数与频率的关系。测量方法使用Y参数方法，允许显示扫频噪指和增益。是专用的噪声指数测量仪，其他复用产品在噪声测量精度方面有折衷。
优点：可测量放大器，频率转换器等；高达26.5GHz；高精度，高重复性。
4.2 频谱分析仪带有噪声分析模块
频谱分析仪可选择升级N9069A软件模块来实现噪声指数测量。一般用于测量高噪声指数，允许测量窄带系统。测量方法与专用噪声指数分析仪（NFA）类似，都是Y参数测量方法。
测量精度低，即使带有内部低噪声前放，依然没有NFA测量的NF低。
主要用于对精度要求不高的大噪声指数测量。
4.3 网络分析仪上实现噪声指数测量功能
安捷伦高端网络分析仪可提供噪声指数测量模块。
主要优点是：可提供被测件的精确的增益参数及匹配参数。
限制：多数测量结果是双边带噪声指数，需要内部矫正；对宽带系统测量容易产生误差；当测量窄带系统时，需要更长的时间。
网络分析仪需要额外的调谐器和软件，因此价格高昂，结构复杂。
（据说在网分上实现噪声指数测量需要多支付8万美元）
4.4 噪声参数测试设备
通常与软件、矢网、NFA同时使用，主要用于非标准阻抗系统。
4.5 功率计和调谐电压表
需要手动计算，灵敏度很差。需要特别注意温漂和震荡。

5. 安捷伦专用噪声指数分析仪NFA的型号、主要参数、参考价格
型号
频率范围

参考价格
N8973A
10MHz－3GHz

33197美元
N8974A
10MHz－6.7GHz

48048美元
N8975A
10MHz－26.5GHz

70863美元
噪声测量范围及精度如下：

6. 安捷伦噪声源的型号、参数、参考价格

参考价格：N4000A 3372美元
N4001A 3203美元
N4002A 4012美元
专用线缆11730A 150美元

7. 提高噪声指数测量精度的方法
7.1 尽量使用ENR较低的噪声源。
噪声源的ENR主要有6dB和15dB两种。

低ENR的优势：
ENR低，噪声功率低，因此潜在的仪器功率非线性的影响小；
ENR低，仪器不适用内部衰减器，最小化仪器的NF，以及引起的不确定度。
低ENR，噪声源的on和off的阻抗匹配的反射系数相差小，影响小。
当DUT的增益较高时，ENR低，可不超过仪器的额定值

低ENR的缺点：
当ENR低时，仪器不能自校准所有的衰减器，因此当被测件的增益大于40dB时，仪器可能使用未经校准的衰减器。
当被测器件的NF大于16dB时，不能使用低ENR，应该使用ENR为15dB的噪声源。这是因为DUT的NF高，而ENR低，则噪声源的on和off功率相近，难以精确测量。
当DUT的NF与ENR相差太大时，精度也变差。
测量范围经验公式：NF＝ENR＋10
7.2 使用低噪声前放
这只针对频谱分析仪应用。当使用频谱分析仪测量低NF，而且ENR较低时，必须使用低噪声前放来最小化仪器的不确定性。
对于N9010A，需要N9010-P03选件。
7.3 对混频器、频率转换模块的噪声指数测量
1， 确定是双边带噪声还是单边带噪声，DSB or SSB。
主要是看混频之前有无镜像抑制滤波器，若果有，则是单边带。如果没有，想做单边带测量可以添加外部滤波器或者测量DSB，估算SSB。
2， 通过DSB估算SSB
通常：DSBNF＝SSBNF+3dB
通过降低中频，可提高估算精度，最小化频率差异的影响。改观中频值观察双边带噪声指数是否有明显改变。降低中频也有限制，首先是NFA的实际范围，一般要求≥10MHz；其次是本振噪声边带的影响。
3， 本振噪声及泄露
一般地，要求本振噪声在中频偏移处噪声功率小于－130dBm/Hz。
更明确的对本振的噪声要求公式如下：
LO power level(dBm)－LO phase noise (dBc/Hz)≤-174dBm/Hz+expected NF(dB)+Gain of DUT(dB)