在現代無線通信系統中，噪聲系數是評估射頻接收機性能的重要參數之一。本文將深入探討噪聲系數的概念、測量方法以及不同應用場景下的適用性，以幫助讀者更好地理解和應用這一關鍵參數。 01 噪聲系數與噪聲因子

在衡量射頻接收機性能時，噪聲系數（NF）、噪聲因子（F）和等效噪聲溫度等參數起到關鍵作用。噪聲系數越低，性能越佳。系統設計人員常致力于在信噪比（SNR）最優的條件下優化系統。噪聲系數（NF）與噪聲因子（F）之間的關系簡潔而明了。

以放大器為例，放大器輸出信號的噪聲功率相對于輸入信號的噪聲功率，與放大器增益有關。一般來說，輸出端口的信噪比會比輸入端口低，即噪聲因子F要大于1，或者噪聲系數NF大于0 dB。當放大器噪聲系數小于1 dB時，可以用等效噪聲溫度Te來描述其性能。

噪聲系數與噪聲溫度關系

02 噪聲來源

1）熱噪聲（白噪聲）：是宇宙中一切物質的隨機運動所產生的，它在任何電子設備中均存在。熱噪聲的產生與布朗運動相關，其噪聲功率可以用數學公式表示。

其中波爾茲曼常數k、溫度T和噪聲帶寬ΔF是關鍵參數。電子元件的熱噪聲會呈現出電壓和電流的隨機波動，統計分布接近高斯分布。

2）散粒噪聲：是由離散的電子組成的電流產生的，每個電子攜帶固定的電荷。電流并不是連續的，而是由單個電子到達的時間上的變化所引起的，稱為散粒噪聲。散粒噪聲的噪聲功率與電流成正比，其有效電流均值可用簡潔的公式表示。

3）1/f噪聲：也稱為閃爍噪聲，是一種隨頻率呈現遞減趨勢的噪聲。它在多種系統中都能觀察到，變化趨勢近似于1/f。這種噪聲通常出現在低頻范圍，隨著頻率增加，噪聲幅度減小。

下圖顯示了在290K溫度下，從頻率為1Hz到100000GHz的電子元件噪聲的功率譜密度。低頻顯示1/f噪聲，在其功率譜密度占主導地位。非常高的頻率包括量子效應。在大多數電子設備工作的頻率上，噪聲一般是平坦的白噪聲。

4）互調失真噪聲：在射頻電路中，當不同頻率的信號通過非線性元件（如放大器）時，它們之間可能會相互干擾，導致互調失真。這會在輸出中產生新的頻率成分，引入額外的噪聲。 5）雜散響應噪聲：當射頻系統中的信號受到非線性元件（如混頻器）的影響時，可能會在頻譜中產生不期望的附加頻率成分，導致雜散響應噪聲。 此外，阻抗不連續也會引起噪聲系數增加或降低，當信號在阻抗不連續處反射或散射時，會引入附加的噪聲。這些附加的噪聲會疊加到原始信號中，使噪聲系數產生變化。

03 級聯噪聲系數計算

在多級級聯時，級聯的增益會影響噪聲系數的計算：

對于負增益的DUT的噪聲系數通常等于其衰減量值，即 G1=1/F1，級聯的噪聲系數大于級噪聲系數：

級聯的等效噪聲溫度為：

在級聯網絡中，系統的總噪聲系數主要取決于第一級的噪聲系數，因為后面的網絡對系統影響逐漸減小。 04 噪聲測試方法介紹

噪聲系數儀法：噪聲系數儀/分析儀的使用示例如下圖所示。

測量過程如下： 1）噪聲源（Noise Source）產生噪聲信號，通過電源提供電壓。 2）噪聲信號驅動被測設備（DUT）。 3）分析儀測量DUT輸出信號的噪聲功率密度和信號功率。 4）噪聲系數儀內部計算出噪聲系數，同時顯示系統增益。

然而，該方法有一些局限，如頻率范圍限制和高噪聲系數下的測量不準確性。并且這種方法需要非常昂貴的設備。

增益法：增益法在某些條件下，更方便且更準確，其基于前面給出的噪聲因子定義：

在這個定義中，噪聲由兩種方面產生：第一種是以信號的形式傳入射頻系統輸入的干擾，這些干擾信號與所需信號不同；第二種是由射頻系統中載波的隨機波動產生。如下圖所示。

在室溫（290ΔK）下，噪聲功率密度為

代入噪聲系數公式，可以得到：

其中，PNOUT是測得的總輸出噪聲功率，BW是目標頻率帶寬，Gain是系統增益，NF是DUT的噪聲系數。我們可以直接測量輸出噪聲功率密度（以dBm/Hz為單位），公式變為：

要使用“增益法”測量噪聲系數，需要預先確定DUT的增益。然后，將DUT的輸入端接特征阻抗線（大多數射頻應用為50Ω，視頻/電纜應用為75Ω）。然后，使用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率密度。 增益法的連接關系如下圖所示：

假設測得增益為80dB，讀取輸出噪聲密度為-90dBm/Hz，為了獲得穩定準確的噪聲密度讀數，RBW（分辨帶寬）和VBW（視頻帶寬）的最佳比例為RBW/VBW = 0.3。可以計算出NF為： -90dBm/Hz + 174dBm/Hz - 80dB = 4.0dB。

“增益法”可以覆蓋頻譜儀可以測得的任何頻率范圍。最大的限制為來自頻譜分析儀的噪聲基底。當噪聲系數很低（小于10dB時），（POUTD - Gain）接近于-170dBm/Hz。正常的LNA增益約為20dB，這樣我們需要測量-150dBm/Hz的噪聲功率譜密度，這個值低于大多數頻譜儀的噪聲基底。當系統增益非常高，大多數頻譜分析儀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因數法：Y因數法是測量噪聲系數的另一種常見方法。使用Y因數法時，需要使用超噪比（ENR）噪聲源，其連接關系如下圖所示：

ENR源通常需要高DC電壓供電。這些ENR源能夠工作在很寬的頻段，并且在指定頻率下具有標準噪聲系數參數。對于小增益甚至負增益的DUT，且噪聲系數大于20dB時，需要噪聲源的ENR遠大于標準噪聲源。

如上圖所示，通過打開和關閉噪聲源，可以使用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率密度的變化。計算噪聲系數的公式為：

其中，ENR是噪聲源輸出噪聲系數值。Y是輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關閉時的差值。 假設通過關閉然后重新打開DC電源，噪聲密度從-90dBm/Hz增加到-87dBm/Hz，Y = 3dB。ENR = 5.28dB。可以計算出NF為5.3dB。 總結三種測試方式差異如下圖所示：

05 總結 噪聲在電子系統中普遍存在，尤其在射頻和微波接收器中具有重要影響。了解噪聲及其測量、建模和解釋對系統的影響至關重要。本文介紹了測量射頻設備噪聲系數的三種方法，每種方法在特定應用中具有一定優勢。

審核編輯：彭菁