标签: 噪声系数

噪声系数测量的三种方法 本文介绍了测量噪声系数的三种方法：增益法、Y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。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 * log10 (F) 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。 下表为典型的射频系统噪声系数： 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、增益法以及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的N8973A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，Agilent 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 = 波尔兹曼常量(1.38 * 10 -23 焦耳/ΔK), T = 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P NAD = -174dBm/Hz。 因而我们有以下的公式： NF = PNOUT - (-174dBm/Hz + 20 * log10(BW) + 增益) 在公式中，PNOUT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。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 VA GC 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RBW (解析带宽)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ENR 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：图片 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 = T H (直流电压加电时)和冷温度T = 290°K。 ENR噪声头的定义为： 图片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 = T H 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HP346A ENR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。买电子元器件现货上唯样商城 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。 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。

一、 关于噪声系数 对于放大器或者其他有源器件，由于本身就会有噪声，输出端信噪比和输入端信噪比不一样，为此，使用噪声系数来衡量放大器本身的噪声水平，公式表示为：噪声系数NF=输入端信噪比/输出端信噪比，单位常用“dB”。 噪声系数是表征接收机及其组成部件在有热噪声存在的情况下处理微弱信号的能力的关键参数之一。该系数并不是越大越好，它的值越大，说明在传输过程中掺入的噪声也就越大，反应了器件或者信道特性的不理想。 二、 射频领域里噪声系数测试 目前，测量噪声系数的方法主要有两种。最常用的方法称为 Y 因子技术或者热/冷噪声源技术。它使用一个与被测器件输入端直接相连的噪声源，提供两个输入噪声电平。这种方法测试被测器件的噪声系数和标量增益，适用于频谱分析仪和噪声系数分析仪解决方案。Y 因子技术易于使用，特别是当噪声源具有良好的源匹配并且可以与被测器件直接连接时，测试结果的精度极佳。 测试噪声系数的另一种方法称为冷噪声源方法或直接噪声方法。这种方法不是在被测器件的输入端连接一个噪声源，而是只需要一个已知的负载 (通常为 50 Ω)。冷噪声源技术需要单独测量被测器件的增益。这种方法特别适用于用矢量网络分析仪测试噪声系数，因为可以用矢量误差校准的方法来得到非常精确的增益 (S21) 测量结果。使用 PNA-X 网络分析仪时，矢量误差校准技术和 PNA-X 独特的源校准方法相结合，可以得到业界最高的噪声系数测量精度。冷噪声源方法的优点还包括只需与被测器件进行一次连接便可同时测量 S 参数和噪声系数。冷噪声源方法虽然在测试的时候不需要测试源，但是在系统的校准过程中，需要使用噪声源。目前用于测量噪声系数最常见的方法为Y因子方法，使用一个与DUT 的输入端直接相连的噪声源，提供两个输入噪声电平。 Y因子技术易于使用，特别是当噪声源具有良好的源匹配并且可以与DUT直接连接时，测试结果的精度是很好的。测试结构如下图分为噪声源、被测件以及测试仪器组成。在此我们主要针对Y因子这种广泛普及的方法来浅析。 三、 针对Y因子测试的不同方案 ESA、EXA、MXA、PSA、PXA、NFA系列都具有噪声系数的测试功能，ESA以及PSA只需配合219选件，X系列的信号分析仪需要配合N9069A即可实现噪声系数测试功能，NFA系列的N8973A、N8974A、N8975A作为专业的噪声分析仪不需要选件。作为搭配有346系列的传统噪声源和SNS系列的智能噪声源可供选择。但是针对不同的测试要求、不同的测试精度以及经济预算的考虑，我们需要认真分析，选择最合理的仪器以及搭配最合理的噪声源。 1、 频率范围的要求 ESA系列虽然支持噪声系数的测试，但是只能保证在3GHz以内可以满足严格的技术指标，如果要测试到更高的频率范围，需要使用PSA、MXA、NFA甚至PXA系列来实现。这里着重指出如果使用PSA例如E4440A进行超过3GHz的噪声系数测试，需要有硬件选件110的支持，也就是需要支持全频段的前置放大器，不然噪声系数的测试指标会很不好。因为目前市面上流通的绝大部分E4440A的前置放大器都是1DS，只能支持到3GHz以内，所以用PSA系列来进行高频的噪声系数测试可行性很低。推荐使用带有P26的N9020A配合N9069A选件或者N8975A来实现。 2、 噪声源的选择 常用的有346系列的传统噪声源和SNS系列的智能噪声源可以作为搭配用于测试生产。噪声源的指标包括频率范围和ENR值，频率范围很好选择，只要可以覆盖需要测试产品所需的频率范围就可以。ENR（超噪比）值就需要针对的做出选择，常用噪声源的ENR值有6dB和15dB。ENR值比较低时可以把由于噪声检测仪的非线性导致的误差降到最低。如果在仪表检测仪的更小范围(从而也是线性更好的范围) 内进行测量，则此误差还会更小。6dB 的ENR 噪声源所用的检测仪范围比15dB 的ENR 噪声源更小。 6dB ENR 噪声源用于: 测量其增益对源阻抗变化特别敏感的器件 噪声系数非常低的DUT 器件的噪声系数不超过15dB 15dB ENR 噪声源用于: 用于测量高达30dB 的噪声系数 测量高增益设器件，用户校准仪表的整个动态范围 另外346系列的噪声源测试前需要把对应频段的ENR值手动输入仪器，而SNS系列的智能噪声源连接仪器后会自动把此值写入仪器内部，节省时间的同时可以减少人为的误操作。还需要注意PSA系列不能匹配SNS系列噪声源，其余系列都可兼容346、347和SNS系列噪声源。 关于噪声仪和噪声源选择方案对比总结如下表： ——作者 君鉴科技-詹军学

一、 关于噪声系数 对于放大器或者其他有源器件，由于本身就会有噪声，输出端信噪比和输入端信噪比不一样，为此，使用噪声系数来衡量放大器本身的噪声水平，公式表示为：噪声系数NF=输入端信噪比/输出端信噪比，单位常用“dB”。 噪声系数是表征接收机及其组成部件在有热噪声存在的情况下处理微弱信号的能力的关键参数之一。该系数并不是越大越好，它的值越大，说明在传输过程中掺入的噪声也就越大，反应了器件或者信道特性的不理想。 二、 射频领域里噪声系数测试 目前，测量噪声系数的方法主要有两种。最常用的方法称为 Y 因子技术或者热/冷噪声源技术。它使用一个与被测器件输入端直接相连的噪声源，提供两个输入噪声电平。这种方法测试被测器件的噪声系数和标量增益，适用于频谱分析仪和噪声系数分析仪解决方案。Y 因子技术易于使用，特别是当噪声源具有良好的源匹配并且可以与被测器件直接连接时，测试结果的精度极佳。 测试噪声系数的另一种方法称为冷噪声源方法或直接噪声方法。这种方法不是在被测器件的输入端连接一个噪声源，而是只需要一个已知的负载 (通常为 50 Ω)。冷噪声源技术需要单独测量被测器件的增益。这种方法特别适用于用矢量网络分析仪测试噪声系数，因为可以用矢量误差校准的方法来得到非常精确的增益 (S21) 测量结果。使用 PNA-X 网络分析仪时，矢量误差校准技术和 PNA-X 独特的源校准方法相结合，可以得到业界最高的噪声系数测量精度。冷噪声源方法的优点还包括只需与被测器件进行一次连接便可同时测量 S 参数和噪声系数。冷噪声源方法虽然在测试的时候不需要测试源，但是在系统的校准过程中，需要使用噪声源。目前用于测量噪声系数最常见的方法为Y因子方法，使用一个与DUT 的输入端直接相连的噪声源，提供两个输入噪声电平。 Y因子技术易于使用，特别是当噪声源具有良好的源匹配并且可以与DUT直接连接时，测试结果的精度是很好的。测试结构如下图分为噪声源、被测件以及测试仪器组成。在此我们主要针对Y因子这种广泛普及的方法来浅析。 三、 针对Y因子测试的不同方案 ESA、EXA、MXA、PSA、PXA、NFA系列都具有噪声系数的测试功能，ESA以及PSA只需配合219选件，X系列的信号分析仪需要配合N9069A即可实现噪声系数测试功能，NFA系列的N8973A、N8974A、N8975A作为专业的噪声分析仪不需要选件。作为搭配有346系列的传统噪声源和SNS系列的智能噪声源可供选择。但是针对不同的测试要求、不同的测试精度以及经济预算的考虑，我们需要认真分析，选择最合理的仪器以及搭配最合理的噪声源。 1、 频率范围的要求 ESA系列虽然支持噪声系数的测试，但是只能保证在3GHz以内可以满足严格的技术指标，如果要测试到更高的频率范围，需要使用PSA、MXA、NFA甚至PXA系列来实现。这里着重指出如果使用PSA例如E4440A进行超过3GHz的噪声系数测试，需要有硬件选件110的支持，也就是需要支持全频段的前置放大器，不然噪声系数的测试指标会很不好。因为目前市面上流通的绝大部分E4440A的前置放大器都是1DS，只能支持到3GHz以内，所以用PSA系列来进行高频的噪声系数测试可行性很低。推荐使用带有P26的N9020A配合N9069A选件或者N8975A来实现。 2、 噪声源的选择 常用的有346系列的传统噪声源和SNS系列的智能噪声源可以作为搭配用于测试生产。噪声源的指标包括频率范围和ENR值，频率范围很好选择，只要可以覆盖需要测试产品所需的频率范围就可以。ENR（超噪比）值就需要针对的做出选择，常用噪声源的ENR值有6dB和15dB。ENR值比较低时可以把由于噪声检测仪的非线性导致的误差降到最低。如果在仪表检测仪的更小范围(从而也是线性更好的范围) 内进行测量，则此误差还会更小。6dB 的ENR 噪声源所用的检测仪范围比15dB 的ENR 噪声源更小。 6dB ENR 噪声源用于: 测量其增益对源阻抗变化特别敏感的器件 噪声系数非常低的DUT 器件的噪声系数不超过15dB 15dB ENR 噪声源用于: 用于测量高达30dB 的噪声系数 测量高增益设器件，用户校准仪表的整个动态范围 另外346系列的噪声源测试前需要把对应频段的ENR值手动输入仪器，而SNS系列的智能噪声源连接仪器后会自动把此值写入仪器内部，节省时间的同时可以减少人为的误操作。还需要注意PSA系列不能匹配SNS系列噪声源，其余系列都可兼容346、347和SNS系列噪声源。 关于噪声仪和噪声源选择方案对比总结如下表： ——作者 君鉴科技-詹军学 本文内容来源于国内领先的电子测试工程师技术交流平台——“每日E问”， 这里有 24小时在线解答技术难题的技术大牛，和一应俱全的行业资料库&文章集， 来每日E问，解锁更多电子测试新知识！ 每日E问网页端地址： https://www. eteforum.com/ 每日E问APP端地址： 手机应用市场搜索“每日E问”或点击下方链接下载 https://www.eteforum.com/download-a pp

        谈到灵敏度这个指标大家都不陌生，在硬件系统里面很多东西涉及到灵敏度。   狭义的说灵敏度指的是能够接收一个信号的最低值。单位一般为UV或者DBUV. 分为有线和无线的，在收音机中，往往都是用的无线接收的灵敏度，但是测量很不好测量。只能有有线的超低信号源来替代无线的信号。 测量一个系统灵敏度步骤往往为：        1、先让接收系统运行起来，让频谱仪或者其他仪器连接输出端。        2、用超低信号源接入系统的输入端。         3、逐步减低信号源的输入信号幅度。         当系统的输出端没有反应或者频谱仪上的信号低于某个参考值的时候记下信号源的输入值。        此时的信号源输入值即为灵敏度。          但是：在灵敏度的定义里面，看上去和接收的信号然而并没有什么关系。灵敏度表示接收机检测微弱信号的能力，与接收系统的内部噪声有着十分密切的关系，取决于接收系统输出信号的信噪比。接收机灵敏度的定义是：在给定输出信噪比的前提下，接收机所能够检测到的最小输入信号电平。最低的灵敏度不能低于-174.                其中带宽B对系统的灵敏度是最大的，噪声系数Fn和最小信噪比SNR也对系统有影响，噪声系数对接收系统的印象不能忽略，所以在接收的前端要有很好的低噪声系数，至于SNR可以忽略。

RFStory.com已经改为 MiniIC.com 原文链接： http://www.rfstory.com/2011/06/12/understanding-of-cascade-noise-figure/ 很高兴，来自著名通信公司的射频硬件工程师 CQ.Lee 也加入到 RFStory 。 从今天开始， RFStory 将不再是我一个人写。 希望能与大家更多地分享与交流。                                —— David.D  对级联噪声系数的理解 by CQ.Lee 这个噪声系数的级联公式，我刚开始学习的时候感觉太繁琐了。下面介绍一种简单易懂的方法来理解它。   教科书上对噪声系数是这样定义的，噪声系数等于输入信噪比 比 输出信噪比。即经过器件或者系统后信噪比的恶化程度。有下面公式可以看出，噪声系数就是把输出噪声折算到输入端，再与输入噪声的比值。 这就有个问题，如果器件引入的噪声大小是恒定的，那输入噪声 1W 和 1000W 的功率得出来的噪声系数明显不同。其实噪声系数的定义是在只有底噪（ -174dBm ）输入情况下得到的噪声系数。令这个噪声电平为 1 ，则输出噪声包含两部分，一部分是输入噪声的贡献 ，一部分是器件的贡献 ， 为折算到输入口的器件噪声。那么： 这样就很简单地得到把每一级的贡献加起来得到级联噪声系数公式   本文为原创文章，转载请注明：转载自 射频那些事儿  。