噪声系数测量方法和公式

描述

介绍了三种不同的噪声系数测量方法:增益法、Y因子法和噪声系数计法。这三种方法在表格中进行了比较。

介绍

在无线通信系统中,“噪声系数(NF)”或相关的“噪声系数(F)”是用于指定无线电接收器性能的数字。噪声系数值越低,性能越好。本教程更详细地讨论了这个重要参数,并描述了三种不同的噪声系数测量程序。

噪声系数和噪声因数

噪声系数 (NF) 有时也称为噪声系数 (F)。关系很简单:

NF = 10 * log10 (F)

定义

噪声系数(噪声因数)包含有关RF系统噪声性能的重要信息。基本定义是:

无线通信

从这个定义中,可以推导出许多其他流行的噪声系数(噪声因子)方程。

 

类别 美信产品 噪声系数* 应用 工作频率 系统增益
LNA MAX2640 0.9分贝 蜂窝,ISM 400兆赫 ~ 1500兆赫 15.1分贝
LNA MAX2645 HG: 2.3dB WLL 3.4千兆赫 ~ 3.8千兆赫 HG: 14.4dB
LG: 15.5dB WLL 3.4千兆赫 ~ 3.8千兆赫 LG: -9.7分贝
Mixer MAX2684 13.6分贝 LMDS, WLL 3.4千兆赫 ~ 3.8千兆赫 1分贝
Mixer MAX9982 12分贝 蜂窝,GSM 825兆赫 ~ 915兆赫 2.0分贝
接收器系统 MAX2700 3.5分贝 ~ 19分贝 PCS, WLL 1.8千兆赫 ~ 2.5千兆赫 < 80分贝
* HG = 高增益模式,LG = 低增益模式

 

测量方法因应用而异。如上表所示,一些应用具有高增益和低噪声系数(HG模式下的低噪声放大器),一些具有低增益和高噪声系数(LG模式下的混频器和LNA),一些具有非常高的增益和宽范围的噪声系数(接收器系统)。必须仔细选择测量方法。本文将讨论噪声系数计以及其他两种常用方法——“增益法”和“Y因子法”。

使用噪声系数计

采用噪声系数计/分析仪如图1所示。

无线通信

图1.

噪声系数计(如安捷伦 N8973A 噪声系数分析仪)产生 28VDC 脉冲信号以驱动噪声源 (HP346A/B),从而产生噪声以驱动被测设备 (DUT)。然后由噪声系数分析仪测量被测器件的输出。由于分析仪知道噪声源的输入噪声和信噪比,因此可以在内部计算并显示DUT的噪声系数。对于某些应用(混频器和接收器),可能需要LO信号,如图1所示。此外,在测量之前,需要在噪声系数计中设置某些参数,例如频率范围、应用(放大器/混频器)等。

使用噪声系数计是测量噪声系数的最直接方法。在大多数情况下,它也是最准确的。工程师可以测量特定频率范围内的噪声系数,分析仪可以显示系统增益和噪声系数以帮助测量。噪声系数计也有局限性。分析仪有一定的频率限制。例如,安捷伦 N8973A 的工作频率范围为 10MHz 至 3GHz。此外,当测量高噪声系数时,例如,超过10dB的噪声系数,结果可能非常不准确。这种方法需要非常昂贵的设备。

增益方式

如上所述,除了直接使用噪声系数计之外,还有其他方法可以测量噪声系数。这些方法涉及更多的测量和计算,但在某些条件下,它们更方便、更准确。一种流行的方法称为“增益方法”,它基于前面给出的噪声因子定义:

无线通信

在这个定义中,“噪声”是由于两个效应。一种是以与所需信号不同的信号形式进入RF系统输入的干扰。第二种是由于射频系统中载波(LNA、混频器、接收器等)的随机波动。第二个效应是布朗运动的结果,它适用于任何电子设备的热平衡,并且来自设备的可用噪声功率为:

PNA = kTΔF,

其中 k = 玻尔兹曼常数 (1.38 * 10-23焦耳/ΔK),

T = 以开尔文为单位的温度,
ΔF = 噪声带宽 (Hz)。

室温(290ΔK)下,噪声功率密度P纳德= -174分贝/赫兹。

因此,我们有以下等式:

NF = PNOUT - (-174dBm/Hz + 10 * log10(BW) + Gain)

在方程中,P内特是测得的总输出噪声功率。-174dBm/Hz是290°K环境噪声的噪声密度。带宽是目标频率范围的带宽。增益是系统增益。NF是DUT的噪声系数。等式中的所有内容都是对数刻度。为了使公式更简单,我们可以直接测量输出噪声功率密度(以dBm/Hz为单位),公式为:

NF = PNOUTD + 174dBm/Hz - Gain

要使用“增益法”测量噪声系数,需要预先确定DUT的增益。然后,DUT的输入端接特性阻抗(大多数RF应用为50Ω,视频/电缆应用为75Ω)。然后用频谱分析仪测量输出噪声功率密度。

增益方法的设置如图2所示。

无线通信

图2.

例如,我们测量MAX2700的噪声系数。在指定的LNA增益设置和V下AGC,测量增益为80dB。然后,如上所示设置器件,并以50Ω端接端接RF输入。我们读取的输出噪声密度为-90dBm/Hz。为了获得稳定准确的噪声密度读数,RBW(分辨率带宽)和VBW(视频带宽)的最佳比值为RBW/VBW = 0.3。因此,我们可以计算出 NF 为:

-90dBm/Hz + 174dBm/Hz - 80dB = 4.0dB。

“增益方法”可以覆盖任何频率范围,只要频谱分析仪允许。最大的限制来自频谱分析仪的本底噪声。如公式所示,当噪声系数低(低于10dB)时,(P出- 增益)接近-170dBm/Hz,正常LNA增益约为20dB。在这种情况下,我们需要测量-150dBm/Hz的噪声功率密度,这低于大多数频谱分析仪的本底噪声。在我们的示例中,系统增益非常高,因此大多数频谱分析仪都可以准确测量噪声系数。同样,如果DUT的噪声系数非常高(例如,超过30dB),这种方法也可以非常准确。

Y因子法

Y因子法是另一种流行的测量噪声系数的方法。要使用Y因子方法,需要一个ENR(超噪比)源。这与我们前面在“噪声系数计”部分中提到的噪声源相同。设置如图 3 所示:

无线通信

图3.

ENR 头通常需要高直流电压电源。例如,HP346A/B 噪声源需要 28VDC。这些ENR磁头工作是一个非常宽的频段(例如,HP10A / B为18MHz至346GHz),并且在指定频率下它们具有自己的标准噪声系数参数。下面给出了一个示例表。这些标记之间频率处的噪声系数是外推的。

 

  HP346A 惠普346B
频率(赫兹) 净值 (分贝) 净值 (分贝)
1G 5.39 15.05
2G 5.28 15.01
3G 5.11 14.86
4G 5.07 14.82
5G 5.07 14.81

 

打开和关闭噪声源(通过打开和关闭直流电压),工程师使用频谱分析仪测量输出噪声功率密度的变化。

该等式来自以下几点:

ENR 噪声头在两个“噪声温度”下提供噪声源:热 T = TH(施加直流电压时)和冷 T = 290°K。 噪声头ENR的定义是:

无线通信

多余的噪声是通过偏置一个嘈杂的二极管来实现的。现在考虑施加冷 T = 290°K 时放大器 (DUT) 的功率输出比,然后施加热 T = TH作为输入:

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

这是 Y 因子,此方法由此得名。

就噪声系数而言,F = Tn/290+1,F 是噪声因子 (NF = 10 * log(F))因此,Y = ENR/F+1。在这个等式中,一切都处于线性状态,由此我们可以得到上面的等式。

同样,我们以MAX2700为例,说明如何用Y因子法测量噪声系数。设置如上图 3 所示。将 HP346A ENR 噪声头连接到射频输入。将 28V 直流电源电压连接到噪声头。我们可以在频谱分析仪上监测输出噪声密度。通过关闭然后打开直流电源,噪声密度从-90dBm/Hz增加到-87dBm/Hz。所以 y = 3dB。同样,为了获得稳定准确的噪声密度读数,RBW/VBW设置为0.3。从表1中,在2GHz时,我们得到ENR = 5.28dB。因此,我们可以计算出NF为5.3dB。

总结

本文讨论了三种测量RF器件噪声系数的方法。它们各有优缺点,每种都适用于某些应用。以下是优缺点的摘要表。从理论上讲,同一RF设备的测量结果应该是相同的,但由于RF设备的限制(可用性,精度,频率范围,本底噪声等),我们必须仔细选择最佳方法才能获得正确的结果。

 

  适合的应用 优势 缺点
噪声系数计 超低净空值
 
方便,在测量超低(0-2dB)NF时非常准确。 设备昂贵,频率范围有限
增益方式 非常高的增益或非常高的NF 易于设置,测量非常高的NF非常准确,适用于任何频率范围 受频谱分析仪本底噪声的限制。无法处理低增益和低NF的系统。
Y因子法 广泛的NF范围 无论增益如何,都可以在任何频率下测量宽范围的NF 测量非常高的NF时,误差可能很大。

 

审核编辑:郭婷

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