噪声系数测量方法和公式

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：

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。

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。

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：

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。

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：

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。

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：

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。

审核编辑：郭婷