噪声系数测量方法
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。本文详细阐述这个重要的参数及其不同的测量方法。
噪声因数和噪声系数
噪声系数有时也指噪声因数。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：
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。
噪声系数的测量方法随应用的不同而不同。从表1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。
图1。
噪声系数测试仪，如agilent公司的n8?73a噪声系数分析仪，产生28v dc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，agilentn8?73a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：
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功率为：
pna=ktδf
这里的k等于波尔兹曼常量(1.38*10-23焦耳/δk)，t为温度，单位为开尔文，δf=噪声带宽(hz)。在室温(290δk)时，噪声功率谱密度pnad-174dbm/hz.因而我们有以下的公式：
nf=pnout-(-174dbm/hz+20*log10(bw)+gain)
在公式中，ppnout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。bw 是感兴趣的频率带宽。gain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=pnoutd+174dbm/hz-gain
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50ω，视频/电缆应用为75ω)。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。
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vpagc下测量得到的增益为80db。接着，如上图装置仪器，射频输入用50ω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，选择最优的解析带宽(rbw)与视频带宽(vbw)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，(pnoutd-gain) 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。
图3。
enr头通常需要高电压的dc电源。比如hp346a/b噪声源需要28伏dc。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。表2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。
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:
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：
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+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=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/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。
本文小结
本文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。表3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。
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噪声因数和噪声系数
噪声系数有时也指噪声因数。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：
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。
噪声系数的测量方法随应用的不同而不同。从表1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。
图1。
噪声系数测试仪，如agilent公司的n8?73a噪声系数分析仪，产生28v dc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，agilentn8?73a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：
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功率为：
pna=ktδf
这里的k等于波尔兹曼常量(1.38*10-23焦耳/δk)，t为温度，单位为开尔文，δf=噪声带宽(hz)。在室温(290δk)时，噪声功率谱密度pnad-174dbm/hz.因而我们有以下的公式：
nf=pnout-(-174dbm/hz+20*log10(bw)+gain)
在公式中，ppnout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。bw 是感兴趣的频率带宽。gain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=pnoutd+174dbm/hz-gain
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50ω，视频/电缆应用为75ω)。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。
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vpagc下测量得到的增益为80db。接着，如上图装置仪器，射频输入用50ω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，选择最优的解析带宽(rbw)与视频带宽(vbw)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，(pnoutd-gain) 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。
图3。
enr头通常需要高电压的dc电源。比如hp346a/b噪声源需要28伏dc。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。表2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。
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:
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：
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+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=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/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。
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本文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。表3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。
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