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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、丫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 * loglO （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:.TotgJ Output Noise PqwbNoise Faclor （F）=0utptit No ise due t
2、o Input Source 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F 表为典型的射频系统噪声系数:CategoryLNAMAXIMProductsMAX2640NoiseFigure*0.9dBApplicati onsCellular, ISMOperati ng Freque ncy400MHz 1500MHzSystem Gain15.1dBLNAMAX2645HG: 2.3dBWLL3.4GHz 3.8GHzHG: 14.4dBLG: 15.5dBWLL3.4GHz 3.8GHzLG: -9.7dBMixerMAX268413.6dBLMDS, WLL3.4
3、GHz 3.8GHz1dBMixerMAX998212dBCellular, GSM825MHz 915MHz2.0dBReceiverSystem* 1 i、/ -MAX27003.5dB 19dBPCS, 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
4、和其他两个方法：增益法和丫系数法。使用噪声系数测试仪 噪声系数测试/分析仪在图 1种给出Power Supply(AG EX31A)00 0 6A9as口 00 ESQFaraday vcc DUTRF Input ) MAX2640 MAX2G04 MAX27O0 如小 i I (if a pplicable)ODIpLfl LM ENRhlDi SenserSourc*图1.28VDC脉冲信号驱动噪声源噪声系数测试仪，如Agile nt的N8973A噪声系数分析仪，产生（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
5、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（L0）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，Agile nt N8973A可工作频率为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。增益法前面提到，除了直接使用噪声系
6、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：llTotal Output Noise PowerN o ise F acto r （F） =;T:Ouitput N o ise HUE to In put Source 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
7、功率为：PNA = kTA F,这里的k =波尔兹曼常量(1.38 * 10-23焦耳/ K),T =温度，单位为开尔文 F =噪声带宽(Hz)在室温(290 K)时，噪声功率谱密度PNAD = -174dBm/HZo因而我们有以下的公式：NF = PNOUT - (-174dBm/Hz + 20 * loglO(BW) + 增益)在公式中，PNOUT1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。BW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
8、变为：NF = 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50 Q,视频/电缆应用为75 Q )o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。PovAarRF Signal GerierAtorSupply白口ffm日Ort(AG E3633.30V mCOfiCJ 口口 UBBaalFarndny CageRF Signal Generator (HP S64SD)RF Spectrum Analyser(HPB56j(E)作为一个例子，我们测量MAX2700噪声系数的。在指
9、定的LNA增益设置和VAGC下测量得到RBW解析的增益为80dBo接着，如上图装置仪器，射频输入用50 Q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，选择最优的带宽）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20dBo这样我们需要测量-15
10、0dBm/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。为了使用丫因数法，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：FIF Signal Generator (HP 864SD)Sog &RF Spectrum AnalyzerMH JTerm innt tonPower Supply (AG E5631A)High Valia g
11、e Power SupplyITaJOV 415,2526.9V 1-O.C mA |eaooCD口SQasDC OQO口口中十W DC图 3.ENF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 ENRHP346AHP346BFreque ncy (Hz)NF (dB)NF (dB)1G5.3915.052G5.2815.013G5.1114.864G5G5.
12、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度的变化。计 算噪声系数的公式为：。 10 (ENR/10)No is e Fig ure (NF)。1DNy io( IMg式 3.在这个式子中，ENF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 =290K。 ENR 噪声头的定义为：EM T-23H-H 二290式 4.冗余噪声通过给噪声二极管加偏置得到。时放 现在考虑
13、在冷温度T = 290 K时与在热温度T = TH 大器( DUT) 功率输出比：Y = G(Th + Tn)/G(290 + Tn) = (Th/290 + Tn/290)/(1 + Tn /290这就是丫因数法，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 = 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HP346AENR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
14、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/VBV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5.3dBo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oSuitableApplicationsAdvantageDisadvantageNoiseFigureMeterSuper low NFConvenient, very accurate when measuri ng super low (0- 2dB) NF.Expe nsive equipme nt, freque ncy range limitedGa
