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應用文章

噪聲系數與噪聲系數測量方法

  • 發(fā)布時(shí)間:2024-07-04 17:30:48

一、什么是噪聲系數(noise figure,NF)?

現代接收系統必須處理一些非常微弱的信號,而系統本身的組件產(chǎn)生的噪聲往往會(huì )讓這 些微弱的信號更模糊。靈敏度、誤碼率和噪聲系數都是表示處理低電平信號能力的系統參數。 這些參數中,噪聲系數是很特殊的,因為噪聲系數不僅僅用于表征整個(gè)系統,而且還用于表 征一些組成系統的組件,比如前置放大器,混頻器和中頻放大器。工程師通過(guò)控制系統組件 的噪聲系數與增益值,就可以直接控制整個(gè)系統的噪聲系數。一旦噪聲系數已知,那么就可 以通過(guò)系統帶寬估測系統靈敏度。

根據IEEE的噪聲系數定義: The noise factor, at a specified input frequency, is defined as the ratio of (1) the total noise power per unit bandwidth available at the outputport when noise temperature of the input termination is standard (290K) to (2) that portion of (1) engendered at the input frequency by the input termination

可以理解為,當輸入噪聲功率為 290K(17℃)溫度下的負載所產(chǎn)生的最大功率情況下,輸入信噪比和輸出信噪比的比值。

二、噪聲系數如何計算?

由上可知,噪聲系數(noise figure,NF)定義為元件或系統輸入信噪比(signal noise ratio,SNR)和輸出信噪比之間的比值,噪聲系數是一個(gè)大于 1 的數,也就是說(shuō)信號經(jīng)過(guò)系統 后信噪比是惡化了。噪聲系數是射頻電路的關(guān)鍵指標之一,它決定了接收機的靈敏度,影響 著(zhù)模擬通信系統的信噪比和數字通信系統的誤碼率。無(wú)線(xiàn)通信和衛星通信的快速發(fā)展對器 件、子系統和系統的噪聲性能要求越來(lái)越高。

輸入信噪比:SNR input=Pi/Ni

輸出信噪比:SNR output=Po/No

噪聲系數:F = SNRinput/SNRoutput  通常用  dB  來(lái)表示 NF= 10Log(F)

假設放大器是理想的線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò ),內部不產(chǎn)生任何噪聲。那么對于該放大器來(lái)說(shuō),輸出的 功率 Po   以及輸出的噪聲 No 分別等于 Pi*Gain 以及 Ni*Gain。這樣噪聲系數=(Pi/Ni)/(Po/No)=1。

但是現實(shí)中,任何放大器的噪聲功率輸出不僅僅有輸入端噪聲的放大輸出,還有內部自身的 噪聲(Na)輸出,下圖為 DUT 上的 SNR input 與 SNR output 圖形表示。

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圖1-待測件輸入與輸出信噪比

三、如何測試噪聲系數?

噪聲系數指標是有源器件的關(guān)鍵指標,噪聲系數的測試變得越來(lái)越廣泛和重要。噪聲系 數測試主要有三種測試方法,第一種方法是只使用頻譜儀的增益法,這是一種簡(jiǎn)化的方法, 不需要噪聲源,被測件的增益已知并且非常高時(shí)才可使用;第二種方法是使用噪聲源和頻譜 儀測試的 Y 因子法,該測試方法相對簡(jiǎn)單,經(jīng)過(guò)校準可以達到相當高的測量精度;第三種 方法是使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的冷源法,該方法對測試條件要求較高,滿(mǎn)足條件時(shí)測試精度非 常高,并且可以一次連接完成幾乎所有指標的測試,測試效率非常高。

意的是這種測試方法沒(méi)有從測試結果中消除頻譜儀自身噪聲帶來(lái)的影響。

3.1增益法

增益法測試噪聲系數只需要使用頻譜儀就是根據噪聲系數的定義直接進(jìn)行測試,需要注意的是這種測試方法沒(méi)有從測試結果中消除頻譜儀自身噪聲帶來(lái)的影響。

NF(dB)= (Pi * No)/(Ni* Po)

根據噪聲系數定義Ni=KT0B=-174dBm/Hz,Po/Pi=Gain,N0為總的輸出噪聲NF(dB)=N0(dBm/Hz)+174(dBm/Hz)-Gain因此在測量的時(shí)候只需要在放大器的輸入端接上50ohm負載,利用頻譜分析儀測量輸 出的噪聲譜密度。

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圖2-放大器直接測試法連接示意圖


3.2 Y因子法(Y系數法、冷熱源法)

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圖3放大器Y因子法連接示意圖

Y因子法測試噪聲系數需要用到噪聲系數分析,或者帶有噪聲系數選件的頻譜儀搭配噪聲源,通常噪聲源采用雪崩二極管制作而成,在噪聲源關(guān)閉的情況下,噪聲源給DUT提供了一個(gè)室溫下的阻抗端接,稱(chēng)之為冷態(tài)Tsourceoff,在二級管加電的情況下,噪聲源工作在熱態(tài)TsourceON,雪崩效應產(chǎn)生大量的超噪聲,也就是相對于冷態(tài)的額外噪聲,超噪聲的量通常用超噪比ENR(Excess noise ratio)表示,根據DUT的噪聲系數不同,可以選擇不同ENR的噪聲源

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圖4-Y因子法變量關(guān)系圖

通過(guò)給噪聲施加不同的供電電壓(0V/28V),在被測器件的輸出端口得到兩個(gè)噪聲功率的測量結果,分別叫做冷態(tài)功率(Noff)與熱態(tài)功率(Non),這兩個(gè)測量結果的比值稱(chēng)為Y因子。

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通過(guò)兩次測量結果確定噪聲功率與噪聲溫度的線(xiàn)性函數,該線(xiàn)性函數的斜率可以測出被測器件的增益值,而與Y軸的交點(diǎn)可以確定被測器件增加的額外噪聲

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圖5-Y因子法測噪聲系數

在增益法中我們提到過(guò),由于頻譜儀本身存在噪聲,所以會(huì )對總測量結果產(chǎn)生影響,在Y因子法中,通過(guò)測試前校準,可以從總噪聲系數中去除去除頻譜儀自身噪聲系數對測試引入的影響。

3.3冷源法

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圖6-放大器冷源法連接示意圖

冷源法需要用到的儀器是矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀,其通過(guò)在冷態(tài)下測量DUT的輸出噪聲功率,再測試到DUT的增益,然后求解噪聲系數的方法。

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圖7-冷源法測噪聲系數

冷源法可以在測量DUT噪聲系數的同時(shí)測得其他的特性參數(S參數、增益壓縮、三階交調等),因為在測試過(guò)程中被測件的輸入端始終在室溫條件下,即冷端接,所以被這種方法稱(chēng)為冷源法。

冷源法測量噪聲系數的數學(xué)依據完全來(lái)自IEEE噪聲系數定義,也可以稱(chēng)作為直接測量法。

因為矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀經(jīng)過(guò)二端口矢量誤差修正后,能夠準確的測量出被測件的增益,由此通過(guò)冷源法可以得到比Y因子法更準確的測量結果。

四、選擇哪種方法?

那么到底什么時(shí)候選擇Y因子法,什么時(shí)候選擇直接測試法?什么時(shí)候選擇冷源法呢?下表主要描述在各個(gè)場(chǎng)合下適合于選擇哪種測量方式。

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