介紹了三種不同的噪聲系數測量方法：增益法、Y因子法和噪聲系數計法。這三種方法在表格中進行了比較。

介紹

在無線通信系統中，“噪聲系數（NF）”或相關的“噪聲系數（F）”是用于指定無線電接收器性能的數字。噪聲系數值越低，性能越好。本教程更詳細地討論了這個重要參數，并描述了三種不同的噪聲系數測量程序。

噪聲系數和噪聲因數

噪聲系數 （NF） 有時也稱為噪聲系數 （F）。關系很簡單：

NF = 10 * log10 （F）

定義

噪聲系數（噪聲因數）包含有關RF系統噪聲性能的重要信息。基本定義是：

從這個定義中，可以推導出許多其他流行的噪聲系數（噪聲因子）方程。

測量方法因應用而異。如上表所示，一些應用具有高增益和低噪聲系數（HG模式下的低噪聲放大器），一些具有低增益和高噪聲系數（LG模式下的混頻器和LNA），一些具有非常高的增益和寬范圍的噪聲系數（接收器系統）。必須仔細選擇測量方法。本文將討論噪聲系數計以及其他兩種常用方法——“增益法”和“Y因子法”。

使用噪聲系數計

采用噪聲系數計/分析儀如圖1所示。

圖1.

噪聲系數計（如安捷倫 N8973A 噪聲系數分析儀）產生 28VDC 脈沖信號以驅動噪聲源 （HP346A/B），從而產生噪聲以驅動被測設備 （DUT）。然后由噪聲系數分析儀測量被測器件的輸出。由于分析儀知道噪聲源的輸入噪聲和信噪比，因此可以在內部計算并顯示DUT的噪聲系數。對于某些應用（混頻器和接收器），可能需要LO信號，如圖1所示。此外，在測量之前，需要在噪聲系數計中設置某些參數，例如頻率范圍、應用（放大器/混頻器）等。

使用噪聲系數計是測量噪聲系數的最直接方法。在大多數情況下，它也是最準確的。工程師可以測量特定頻率范圍內的噪聲系數，分析儀可以顯示系統增益和噪聲系數以幫助測量。噪聲系數計也有局限性。分析儀有一定的頻率限制。例如，安捷倫 N8973A 的工作頻率范圍為 10MHz 至 3GHz。此外，當測量高噪聲系數時，例如，超過10dB的噪聲系數，結果可能非常不準確。這種方法需要非常昂貴的設備。

增益方式

如上所述，除了直接使用噪聲系數計之外，還有其他方法可以測量噪聲系數。這些方法涉及更多的測量和計算，但在某些條件下，它們更方便、更準確。一種流行的方法稱為“增益方法”，它基于前面給出的噪聲因子定義：

在這個定義中，“噪聲”是由于兩個效應。一種是以與所需信號不同的信號形式進入RF系統輸入的干擾。第二種是由于射頻系統中載波（LNA、混頻器、接收器等）的隨機波動。第二個效應是布朗運動的結果，它適用于任何電子設備的熱平衡，并且來自設備的可用噪聲功率為：

PNA = kTΔF，

其中 k = 玻爾茲曼常數 （1.38 * 10-23焦耳/ΔK），

T = 以開爾文為單位的溫度，
ΔF = 噪聲帶寬 （Hz）。

室溫（290ΔK）下，噪聲功率密度P納德= -174分貝/赫茲。

因此，我們有以下等式：

NF = PNOUT - (-174dBm/Hz + 10 * log10(BW) + Gain)

在方程中，P內特是測得的總輸出噪聲功率。-174dBm/Hz是290°K環境噪聲的噪聲密度。帶寬是目標頻率范圍的帶寬。增益是系統增益。NF是DUT的噪聲系數。等式中的所有內容都是對數刻度。為了使公式更簡單，我們可以直接測量輸出噪聲功率密度（以dBm/Hz為單位），公式為：

NF = PNOUTD + 174dBm/Hz - Gain

要使用“增益法”測量噪聲系數，需要預先確定DUT的增益。然后，DUT的輸入端接特性阻抗（大多數RF應用為50Ω，視頻/電纜應用為75Ω）。然后用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率密度。

增益方法的設置如圖2所示。

圖2.

例如，我們測量MAX2700的噪聲系數。在指定的LNA增益設置和V下AGC，測量增益為80dB。然后，如上所示設置器件，并以50Ω端接端接RF輸入。我們讀取的輸出噪聲密度為-90dBm/Hz。為了獲得穩定準確的噪聲密度讀數，RBW（分辨率帶寬）和VBW（視頻帶寬）的最佳比值為RBW/VBW = 0.3。因此，我們可以計算出 NF 為：

-90dBm/Hz + 174dBm/Hz - 80dB = 4.0dB。

“增益方法”可以覆蓋任何頻率范圍，只要頻譜分析儀允許。最大的限制來自頻譜分析儀的本底噪聲。如公式所示，當噪聲系數低（低于10dB）時，（P出- 增益）接近-170dBm/Hz，正常LNA增益約為20dB。在這種情況下，我們需要測量-150dBm/Hz的噪聲功率密度，這低于大多數頻譜分析儀的本底噪聲。在我們的示例中，系統增益非常高，因此大多數頻譜分析儀都可以準確測量噪聲系數。同樣，如果DUT的噪聲系數非常高（例如，超過30dB），這種方法也可以非常準確。

Y因子法

Y因子法是另一種流行的測量噪聲系數的方法。要使用Y因子方法，需要一個ENR（超噪比）源。這與我們前面在“噪聲系數計”部分中提到的噪聲源相同。設置如圖 3 所示：

圖3.

ENR 頭通常需要高直流電壓電源。例如，HP346A/B 噪聲源需要 28VDC。這些ENR磁頭工作是一個非常寬的頻段（例如，HP10A / B為18MHz至346GHz），并且在指定頻率下它們具有自己的標準噪聲系數參數。下面給出了一個示例表。這些標記之間頻率處的噪聲系數是外推的。

打開和關閉噪聲源（通過打開和關閉直流電壓），工程師使用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率密度的變化。

該等式來自以下幾點：

ENR 噪聲頭在兩個“噪聲溫度”下提供噪聲源：熱 T = TH（施加直流電壓時）和冷 T = 290°K。 噪聲頭ENR的定義是：

多余的噪聲是通過偏置一個嘈雜的二極管來實現的。現在考慮施加冷 T = 290°K 時放大器 （DUT） 的功率輸出比，然后施加熱 T = TH作為輸入：

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

這是 Y 因子，此方法由此得名。

就噪聲系數而言，F = Tn/290+1，F 是噪聲因子 （NF = 10 * log（F））因此，Y = ENR/F+1。在這個等式中，一切都處于線性狀態，由此我們可以得到上面的等式。

同樣，我們以MAX2700為例，說明如何用Y因子法測量噪聲系數。設置如上圖 3 所示。將 HP346A ENR 噪聲頭連接到射頻輸入。將 28V 直流電源電壓連接到噪聲頭。我們可以在頻譜分析儀上監測輸出噪聲密度。通過關閉然后打開直流電源，噪聲密度從-90dBm/Hz增加到-87dBm/Hz。所以 y = 3dB。同樣，為了獲得穩定準確的噪聲密度讀數，RBW/VBW設置為0.3。從表1中，在2GHz時，我們得到ENR = 5.28dB。因此，我們可以計算出NF為5.3dB。

總結

本文討論了三種測量RF器件噪聲系數的方法。它們各有優缺點，每種都適用于某些應用。以下是優缺點的摘要表。從理論上講，同一RF設備的測量結果應該是相同的，但由于RF設備的限制（可用性，精度，頻率范圍，本底噪聲等），我們必須仔細選擇最佳方法才能獲得正確的結果。

審核編輯：郭婷