噪声系数测量方法

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1、噪声系数测量的三种方法摘要：本文介绍了测量噪声系数的三种方法：增益法、Y系数法和噪声系数测试仪法。这三 种方法的比较以表格的形式给出。前言在无线通信系统中，噪声系数（NF）或者相对应的噪声因数（F）定义了噪声性能和对接收机灵 敏度的贡献。本篇应用笔记详细阐述这个重要的参数及其不同的测量方法。噪声指数和噪声系数噪声系数（NF）有时也指噪声因数（F）。两者简单的关系为：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的重要信息，标准的定义为：T otal Output N o is e P ow er N oise Factor (F) = :Outpul N

2、 o ise due to Input Sou rce Only从这个定义可以推导出很多常用的噪声系数（噪声因数）公式。下表为典型的射频系统噪声系数:CategoryLNAMAXIMProductsMAX2640NoiseFigure*0.9dBApplicationsCellular, ISMOperating Frequency400MHz 1500MHzSystem Gain15.1dBLNAMixerMAX2645MAX2684HG: 2.3dBWLL3.4GHz 3.8GHzHG: 14.4dBLG: 15.5dB13.6dBWLLLMDS, WLL3.4GHz 3.8GHz3.4G

3、Hz 3.8GHzLG: -9.7dB1dBMixerMAX998212dBCellular, GSM825MHz 915MHz2.0dBReceiverSystemMAX27003.5dB 19dEPCS, WLL1.8GHz 2.5GHz 80dB* HG =高增益模式，LG =低增益模式噪声系数的测量方法随应用的不同而不同。从上表可看出，一些应用具有高增益和低噪声系 数（低噪声放大器（LNA）在高增益模式下），一些则具有低增益和高噪声系数（混频器和LNA 在低增益模式下），一些则具有非常高的增益和宽范围的噪声系数（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和其

4、他两个方法：增益法和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。Paw村 Supply(00 E36S1A|3制V阳.的eA |C：,”：，：i H i口口口 口 口cziJFaraday tsgeRF Ei-gmal Gene raid r (HP 3MSD1c藤 is 吕口 00 吕品皆 口Noise Figure Analyze r (AG N0S73A)DUT:RF Inpzir MAK蹈和iMAX2S84；_cMAX270 hi,i- I|i：riplcable) CMml iLow ENR图1.噪声系数测试仪，如Agilent的N8973A噪声系数分析仪，产生28

5、VDC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的 输出。由于分析仪已知噪声源的输入噪声和信噪比，DUT的噪声系数可以在内部计算和在屏 幕上显示。对于某些应用(混频器和接收机)，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是测量噪声系数的最直接方法。在大多数情况下也是最准确地。工程师 可在特定的频率范围内测量噪声系数，分析仪能够同时显示增益和噪声系数帮助测量。分析 仪具有频率限制。例如，Agilent N8973A可工作频率

6、为10MHz至3GHz。当测量很高的噪声 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的设备。增益法T otal Output N ois e P w er前面提到，除了直接使用噪声系数测试仪外还可以采用其他方法测量噪声系数。这些方法需 要更多测量和计算，但是在某种条件下，这些方法更加方便和准确。其中一个常用的方法叫 做“增益法”，它是基于前面给出的噪声因数的定义：Noise Factor (F) = ,L1 ., 人,Output N o ise due to In put Sou rce Only式2.在这个定义中，噪声由两个因素产生。一个是到达射频系统输入的

7、干扰，与需要的有用信号 不同。第二个是由于射频系统载波的随机扰动(LNA，混频器和接收机等)。第二种情况是布 朗运动的结果，应用于任何电子器件中的热平衡，器件的可利用的噪声功率为：PNA 二 kTAF,这里的k二波尔兹曼常量(1.38 * 10-23焦耳/AK),T二温度，单位为开尔文 F二噪声带宽(Hz)在室温(290AK)时，噪声功率谱密度PNAD=-174dBm/Hz。因而我们有以下的公式：NF 二 PNOUT - (-174dBm/Hz + 20 * log10(BW) + 增益)在公式中，PNOUT是已测的总共输出噪声功率，-174dBm/Hz是290。K时环境噪声的功率谱 密度。B

8、W是感兴趣的频率带宽。增益是系统的增益。NF是DUT的噪声系数。公式中的每个 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 二 PNOUTD + 174dBm/Hz -增益为了使用增益法测量噪声系数，DUT的增益需要预先确定的。DUT的输入需要端接特性阻抗 (射频应用为50Q，视频/电缆应用为75Q)。输出噪声功率谱密度可使用频谱分析仪测量。增益法测量的装置见图2。Power Supply (AG ESSaiA)RF Signal Generator (HPM4 蛆)J Fa 厂一RF Signal GieriBiator (HP H64&

9、P)BHSS3K2 Q A.fuaaoa Q 口 被O 0 n口口 口口口 口a口口匚 oaCTaan 左左器 口口口 Un ms5&fl.To-rminating OUTH= ODbl IMAK 3 70ft!lORFiF i: r ；： pr r；ihie):.rp.” i 1RF Spe-drum Analyzer (HP B55kEJ图2.作为一个例子，我们测量MAX2700噪声系数的。在指定的LNA增益设置和VAGC下测量得到 的增益为80dB。接着，如上图装置仪器，射频输入用50Q负载端接。在频谱仪上读出输出噪声功率谱密度为-90dBm/Hz。为获得稳定和准确的噪声密度读数，选择最

10、优的RBW （解析 带宽）与VBW （视频带宽）为RBW/VBW = 0.3。计算得到的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。最大的限制来自于频谱分析仪的噪 声基底。在公式中可以看到，当噪声系数较低（小于10dB）时，（POUTD -增益）接近于 -170dBm/Hz，通常LNA的增益约为20dB。这样我们需要测量-150dBm/Hz的噪声功率谱密度， 这个值低于大多数频谱仪的噪声基底。在我们的例子中，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的噪声系数非常高（比如高于

11、30dB），这个方 法也非常准确。Y因数法Y因数法是另外一种常用的测量噪声系数的方法。为了使用Y因数法，需要ENR （冗余噪声 比）源。这和前面噪声系数测试仪部分提到的噪声源是同一个东西。装置图见图3：FtF Signal Generaiar (HP &G43D)Faraday Gsge2即WRF Spectrum Ana lyzcr (HPSSfixEJPower Suppl/High Voilagc(AG EJ631 A)Power SupplyJ3.$OV 415.2528.0 V1 (J.5 A 10 as CZI口 39 BQ 口口as 9 -3 O 口0BB 口口 口J4- J.-

12、i amu+ =+ -OH#图3.ENR头通常需要高电压的DC电源。比如HP346A/B噪声源需要28VDC。这些ENR头能够工作 在非常宽的频段（例如HP346A/B为10MHz至18GHz），在特定的频率上本身具有标准的噪声 系数参数。下表给出具体的数值。在标识之间的频率上的噪声系数可通过外推法得到。表1.噪声头的ENRHP346AHP346BFrequency (Hz)NF (dB)NF (dB)1G5.3915.052G5.2815.013G5.1114.864G5G5.075.0714.8214.81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

13、度的变化。计算噪声系数的公式为：1 n (ENRA10)Noise Figure (NF) =10 Mog 10 ( “g)式3.在这个式子中，ENR为上表给出的值。通常ENR头的NF值会列出。Y是输出噪声功率谱密度 在噪声源开启和关闭时的差值。这个公式可从以下得到：ENR噪声头提供两个噪声温度的噪声源：热温度时T = TH直流电压加电时)和冷温度T =290 K。ENR噪声头的定义为：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 = 290 K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 +

14、Tn/290)/(1 + Tn/290这就是Y因数法，名字来源于上面的式子。根据噪声系数定义，F = Tn/290+1，F是噪声因数(NF = 10 * log(F)，因而，Y二ENR/F+1。 在这个公式中，所有变量均是线性关系，从这个式子可得到上面的噪声系数公式。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的输入。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。 为了获得稳定和准确的噪声功率谱密度读数，RBW/

15、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的值为5.3dB。总结在本篇文章讨论了测量射频器件噪声系数的三种方法。每种方法都有其优缺点，适用于特定 的应用。下表是三种方法优缺点的总结。理论上，同一个射频器件的测量结果应该一样，但 是由于射频设备的限制(可用性、精度、频率范围、噪声基底等，必须选择最佳的方法以获 得正确的结果。SuitableDisadvantageApplicationsNoiseFigureMeterSuper low NFConvenient, very accurate when measuring super low (0-2dB) NF.Expensive equipment,