噪声系数的测量方法和公式

 

本次我们介绍三种测量噪声系数的方法：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“噪声因子（F）”是一个用于指定无线电接收机性能的数字。噪声系数的值越低，性能越好。本教程更详细地讨论了这一重要参数，并描述了三种不同的噪声系数测量程序。

噪声系数和噪声系数

 

噪声系数（NF）有时被称为噪声系数（F）。这种关系很简单：

 

NF=10*log10（F）

 

释义

噪声系数（NoiseFactor）包含有关射频系统噪声性能的重要信息。基本定义是：

 

噪声系数（F）=总输出噪声功率仅由输入源引起的输出噪声

 

根据这个定义，可以导出许多其他流行的噪声系数（噪声系数）方程。

下表是典型的RF系统噪声图：

 

 

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），一些有非常高的增益和宽范围的噪声系数（接收机系统）。必须仔细选择测量方法。在本文中，将讨论噪声系数计以及两种其他流行的方法——“增益法”和“Y因子法”。

 

使用噪声系数表

采用噪声系数仪/分析仪，如图中所示。

 

 

噪声系数仪，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），噪声源产生噪声以驱动被测设备（DUT）。然后由噪声系数分析仪测量DUT的输出。由于分析仪已知噪声源的输入噪声和信噪比，因此可以在内部计算和显示DUT的噪声系数。对于某些应用（混频器和接收机），可能需要LO信号，如图1所示。此外，在测量之前，需要在噪声系数表中设置某些参数，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，分析器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。分析仪具有一定的频率限制。例如，安捷伦N8973A的工作频率为10MHz到3GHz。此外，当测量高噪声系数（例如，超过10dB的噪声系数）时，结果可能非常不准确。这种方法需要非常昂贵的设备。

 

增益方法（GainMethod）

如上所述，除了直接使用噪声系数计外，还有其他方法来测量噪声系数。这些方法涉及更多的测量和计算，但在某些条件下，它们变得更加方便和准确。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：

 

噪声系数（F）=总输出噪声功率仅由输入源引起的输出噪声

 

在这个定义中，“噪波”是由两个效应引起的。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。第二个是由于RF系统（LNA、混频器、接收机等）中载波的随机波动。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，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=温度（开尔文），

 

ΔF=噪声带宽（Hz）。

 

在室温（290ΔK）下，噪声功率密度PNAD=-174dBm/Hz。

 

因此，我们有以下等式：

 

NF=PNOUT-（-174dBm/Hz+10*log10（BW）+增益）

 

在方程中，PNOUT是测量的总输出噪声功率-174dBm/Hz是290°K环境噪声的噪声密度。BW是感兴趣的频率范围的带宽。增益是系统增益。NF是DUT的噪声系数。方程中的一切都是对数刻度。为了使公式更简单，我们可以直接测量输出噪声功率密度（单位：dBm/Hz），公式为：

 

NF=PNOUTD+174dBm/Hz-增益

 

要使用“增益法”测量噪声系数，需要预先确定DUT的增益。然后用特性阻抗端接DUT的输入（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中所示

 

 

作为一个例子，我们测量了MAX2700的噪声系数。在指定的LNA增益设置和VAGC下，增益测量为80dB。然后，如上所示设置设备，并用50Ω终端终止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NF为：

 

-90dBm/Hz+174dBm/Hz-80dB=4.0dB。

 

只要频谱分析仪允许，“增益方法”可以覆盖任何频率范围。最大的限制来自频谱分析仪的噪声地板。如方程所示，当噪声系数较低（低于10dB）时，（POUTD-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噪声底。在我们的示例中，系统增益非常高，因此大多数频谱分析仪可以精确测量噪声系数。类似地，如果DUT的噪声系数非常高（例如，超过30dB），则该方法也可以非常准确。

 

Y因子法

 

Y因子法是测量噪声系数的另一种流行方法。要使用Y因子法，需要一个ENR（Excess Noise Ratio）源。它与我们在前面的“噪声系数表”部分中提到的噪声源是相同的。设置如图中所示：

 

 

ENR磁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磁头的工作频带非常宽（例如，HP346A/B为10MHz至18GHz），并且它们在指定频率下具有自己的标准噪声系数参数。下面给出了一个示例表。外推这些标记之间频率处的噪声图。

 

噪声头ENR示例

 

 

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。计算噪声系数的公式为：

 

 

其中ENR是上表中给出的数字。它通常列在ENR磁头上。Y是噪声源打开和关闭时输出噪声功率密度之间的差值。

 

该等式由以下公式得出：

 

 

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

 

通过偏置噪声二极管来实现过量噪声。现在考虑应用冷T=290°K，然后应用热T=TH作为输入时放大器（DUT）的输出功率比：

 

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

 

这是Y因子，该方法从中获得名称。

 

就噪声系数而言，F=Tn/290+1，F是噪声系数（NF=10*log（F）），因此，Y=ENR/F+1。在这个方程中，一切都是线性的，由此我们可以得到上面的方程。

 

再次，让我们使用MAX2700作为如何使用Y因子方法测量噪声系数的示例。上述设置如图3所示。将HP346A ENR噪声头连接到RF输入。将28V DC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。因此Y=3dB。再次为了获得噪声密度的稳定和准确读数，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。它们每个都有优点和缺点，并且每个都适用于某些应用。下面是一个利弊总结表。理论上，同一RF设备的测量结果应该相同，但由于RF设备的限制（可用性、准确性、频率范围、噪声地板等），我们必须仔细选择最佳方法来获得正确的结果。