噪聲系數的含義和測量方法

噪聲系數的含義

噪聲系數是用來描述一個系統中出現的過多的噪聲量的品質因數。把噪聲系數降低到最小的程度可以減小噪聲對系統造成的影響。在日常生活中，我們可以看到噪聲會降低電視畫面的質量，也會使無線通信的話音質量
變差; 在諸如雷達等的軍用設備中，噪聲會限制系統的有效作用范圍; 在數字通信系統中，噪聲則會增加系統的誤碼率。電子設備的系統設計人員總是在盡最大努力使整個系統的信噪比 (SNR) 達到最優化的程度，為了達到這個目的，可以用把信號提高的辦法，也可以用把噪聲降低的辦法。在像雷達這樣的發射接受系統中，提高信噪比的一種方法是用更大的大功率放大器來提高發射信號的功率，或使用大口徑天線。降低在發射機和接收機之間信號傳輸路徑上對信號的衰耗也可以提高信噪比，但是信號在傳輸路徑上的衰耗大都是由工作環境所決定的，系統設計人員控制不了這方面的因素。還可以通過降低由接收機產生的噪聲 — 通常這都是由接收機前端的低噪聲放大器 (LNA) 的質量決定的 — 來提高信噪比。與使用提高發射機功率的方法相比，降低接收機的噪聲 (以及讓接受機的噪聲系數的指標更好) 的方法會更容易和便宜一些。

噪聲系數的定義是很簡單和直觀的。一個電子系統的噪聲因子 (F) 的定義是系統輸入信號的信噪比除以系統輸出信號的信噪比:

                                   F = (Si/Ni)/(So/No)

Si = 輸入信號的功率
So = 輸出信號的功率
Ni = 輸入噪聲功率
No = 輸出噪聲功率
把噪聲因子用分貝 (dB) 來表示就是噪聲系數 (NF)，NF = 10*log (F)。

這個對噪聲系數的定義對任何電子網絡都是正確的，包括那些可以把在一個頻率上的輸入信號變換為另外一個頻率的信號再輸出的電子網絡，例如上變頻器或下變頻器。

為了更好地理解噪聲系數的定義，我們來看看放大器的例子。放大器的輸出信號的功率等于放大器輸入信號的功率乘以放大器的增益，如果這個放大器是一個很理想的器件的話，其輸出端口上噪聲信號的功率也應該等于輸入端口上噪聲信號的功率乘以放大器的增益，結果是在放大器的輸入端口和輸出端口上信號的信噪比是相同的。然而，實際情況是任何放大器輸出信號的噪聲功率都比輸入信號的噪聲功率乘以放大器的增益所得到的結果大，也就是說放大器輸出端口上的信噪比要比輸入端口上的信噪比小，即噪聲因子F 要大于 1，或者說噪聲系數 NF 要大于 0 dB。

在測量并比較噪聲系數的測量結果時，非常重要的是要注意我們在測量的過程中是假定測量系統能夠在被測器件 (DUT) 的輸入端口和輸出端口上提供非常完美的 50 Ω 的負載條件。可是在實際測量中，這樣完美的條件永遠不會存在。稍后我們會討論如果測量系統不是很完美的 50 Ω 系統會對噪聲系數的測量精度造成怎樣的影響。同時，我們也會看到各種校準和測量方法是怎么克服因為不是很完美的 50 Ω 的源匹配而造成的測量誤差的。

圖1   器件對信號的處理過程

另一種用來表達由一個放大器或系統引入的附加噪聲的術語是有效輸入溫度 (Te)。為了理解這個參數，我們需要先看一下無源負載所產生的噪聲的量的表達方式 — kTB，其中 k 是玻爾茲曼常數，T 是以開爾文為單位的負載的溫度，B 是系統帶寬。因為在某個給定的帶寬內，器件產生的噪聲和溫度是成正比的，所以，一個器件所產生的噪聲的量可以表示為帶寬歸一化為 1 Hz 的等效噪聲溫度。例如，一個從市場上可以買到的超噪比(ENR)為 15 dB 的噪聲源產生的電噪聲可以等效表示為溫度為 8880 K 的負載。任何一個實際器件的噪聲系數都可以表示為一個有效輸入噪聲溫度。顯然 Te 不是放大器或變頻器的實際物理溫度，它是與一個 (噪聲為零的) 完美器件相連的在輸出端會產生同樣大小的附加噪聲的輸入負載的等效溫度 (單位為開爾文)，Te 與噪聲因子的關系是:

                          Te = 290* (F - 1)
雖然大部分低噪聲放大器 (LNA)的特性是用噪聲系數來描述的，但是當 LNA 的噪聲系數小于 1 時，就會經常用 Te 來描述它的噪聲特性。在做涉及到噪聲功率的計算時，Te 也是一個很有用的參數。

噪聲系數測量方法

主要有兩種測量噪聲系數的方法。最常用的是所謂 Y 因子法或冷熱源法，安捷倫科技的噪聲系數分析儀和頻譜分析儀都是用這種方法測量噪聲系數。

Y 因子法使用經過校準的由特制的可以打開和關閉的噪聲二極管組成的噪聲源，在噪聲源的后面還有一個用來提供較好的輸出匹配的衰減器，如圖2 所示。當二極管被關閉，也即沒有偏置電流存在的時候，噪聲源對于被測器件來說所呈現的是一個溫度為室溫的負載。當二極管被反向偏置的時候，它所產生的雪崩效應會產生一個超過負載在室溫環境下所產生的噪聲的電噪聲，這個額外產生的噪聲的量被表征為“超噪比”(即 ENR)。對于一個給定的噪聲源，ENR 的值會隨著頻率的變化而變化。根據噪聲源內部衰減器的情況的不同，典型噪聲源的 ENR 的額定值的范圍在 5 dB 到 15 dB 之間。使用噪聲源可以在被測器件的輸出端口得到兩個噪聲功率的測量結果，然后，這兩個測量結果的比值 — 被稱之為 Y 因子 — 可以用來計算噪聲系數。使用 Y 因子法進行測量還可以產生被測器件的標量增益的測量結果。

圖2   超噪源的原理圖

第二種測量噪聲系數的方法是冷源法，有時也把這種方法叫做直接噪聲測量法 — 在被測器件的輸入端口連接一個冷 (通常是室溫的) 負載，另外再單獨測量被測器件的增益。使用矢量網絡分析儀 (VNA) 測量噪聲系數就經常采用冷源法，因為這可以使我們在測量放大器或變頻器時，只需要把被測器件與儀表進行一次連接，就可以完成諸如 S 參數、增益壓縮、噪聲系數等多項指標的測試。

Y 因子法

我們在這里要仔細看一下 Y 因子法。使用噪聲源我們可以得到兩個噪聲功率的測量果: 一個是在噪聲源處在冷 (噪聲二極管是關閉的) 狀態下得到的，另一個是在噪聲源處在熱 (噪聲二極管是打開的) 狀態下得到的。從這兩個測量結果和噪聲源已知的 ENR 的值我們就可以計算出兩個變量的結果 — 被測放大器的標量增益和噪聲系數。

在對被測器件進行測量的同時，測量儀表中噪聲測量接收機的噪聲也會被測量到。為了把這部分附加的噪聲從測量結果中去除掉，在測量開始之前需要進行校準，校準的過程就是把噪聲源與測量儀表連接起來，測量儀表內噪聲測量接收機的噪聲系數。經過校準之后，使用一個簡單的數學表達式就可以把被測器件的噪聲系數從全部整個系統的噪聲測量結果中提取出來。這一步驟被叫做第二級噪聲校準，這是因為被測器件噪聲系數的測量結果是基于測試系統第二級 — 測試儀表的噪聲測量接收機 — 的增益和噪聲系數的值進行校準的。

如果我們把一個放大器輸出的噪聲功率與其輸入噪聲功率的關系畫成圖的話，只要這個放大器是線性的，那么這個關系就會遵循一條直線的關系，如圖 3 所示。對于低噪聲放大器來說，這是一個很好的假設，因為它們的目的就是放大小信號，它們工作在遠離放大器壓縮區的區域。即便是輸入噪聲為零的情況下，由于放大器內部有源電路自身會產生噪聲的機理，在放大器的輸出端口上還是會有一定量的噪聲存在。這個由放大器自身所產生的噪聲就是噪聲系數測量中所要標定的量。從圖中我們就可以清楚而容易地看出，為什么在求解放大器的增益 (直線的斜率) 和噪聲系數 (在 Y 軸上的截點) 這兩個參數時需要使用兩個噪聲功率的測量結果。

圖3   Y 因子測量法的圖解

冷源法

我們來仔細地看看使用冷源法測量噪聲系數的技術。冷源法的技術在概念上是很簡單的，被測器件的輸入端始終在室溫 (所謂的“冷”負載) 溫度，只做噪聲功率的測量，測量得到的噪聲是被放大了的輸入噪聲再加上放大器或變頻器所貢獻的噪聲。如果可以非常精確地知道放大器的增益 (或變頻器的變頻增益)，那么就可以從測量結果中把被放大的輸入噪聲去掉，只留下由被測器件產生的噪聲，由此就可以計算出噪聲系數。為了能夠在冷源法測量中得到很精確的測量結果，我們必須要在非常精密的程度上知道被測器件的增益。矢量網絡分析儀使用 2 端口矢量誤差校準技術和其它先進的校準方法可以達到冷源測量法所需要的精度等級，因此，冷源法是非常適合于用矢量網絡分析儀測量噪聲系數的。

和使用 Y 因子法測量噪聲系數的方法一樣，冷源法也需要一個校準步驟來表征儀表內噪聲測量接收機的噪聲系數和增益。和冷源法一樣，這一步驟也需要一個噪聲源來完成; 或者也可以使用一個功率計做掃頻測量來獲得接收機的有效噪聲帶寬。在這里需要主意的是，冷源法測量中所使用的噪聲源或功率計只是在校準時才用到，校準之后再對被測器件進行測試時就不再需要了。

圖 4 是輸出噪聲功率與輸入噪聲功率的關系圖，在這里，我們可以單獨測量被測器件的增益而得到這條直線的斜率。接下來只需要做一次功率的測量就可以確定這條直線和 Y 軸的交點，從而確定該直線在圖中的位置，這樣就可以從中推演出被測器件的噪聲系數。

圖4   冷源測量法的圖示

需要主意的是，當用矢量網絡分析儀測量被測器件的增益時可以使用矢量誤差校準，這樣得到的增益的測量結果會比用 Y 因子法測量得到的結果更精確。矢量校準需要對被測器件的四個 S 參數都進行測量，這需要網絡儀做正向和反向兩次掃描測量。在后面我們將會討論怎樣用被測器件的 S11 和 S22 經過校準的測量結果來校準測量結果中的其它誤差項。冷源法測量放大器噪聲系數的技術已經被進一步開發使之能夠用于測量輸入信號的頻率和輸出信號的頻率不一樣的變頻器件的噪聲系數。

測量結果的不確定性

有幾個關鍵因素會影響到整個噪聲系數測量結果的不確定性。選擇噪聲系數測試方案時，非常重要的一點是要選擇一種能把影響整個噪聲系數不確定性諸因素中最主要因素的影響降低到最小的方法。

這些可以影響噪聲系數測量結果不確定性的因素，有一部分可在儀表的技術指標中找到，例如儀表本身測試結果的不確定性、超噪聲比(ENR) 的不確定性和抖動等。而其它因素則取決于測試系統與DUT之間的相互作用。例如，由于系統源匹配的不完善(偏離理想的50 歐姆)，就會有兩種誤差來源。第一個為失配誤差，這會導致測試系統與DUT 之間的能量傳送不理想。第二個誤差源則來自于DUT內部產生的噪聲與從DUT一側看到的源匹配(Γs) 之間的相互作用。下圖比較了Y 因子方法與冷噪聲源方法(PNA-X 所用的方法) 之間噪聲系數測量結果的不確定性。在這個例子中放大器的噪聲系數為3dB，增益為15 dB，輸入和輸出匹配為10dB，其噪聲參數也是比較適中的(Fmin = 2.8dB、Γopt = 0.27 + j0 和Rn= 37.4)。

對于Y 因子方法，在計算噪聲系數測試結果的不確定性時考慮了兩種不同的情況: 一種情況是噪聲源與DUT直接連接; 另一種情況是在噪聲源和DUT 之間有一個電網絡— 用它來仿真自動測試系統(ATE) 中所用到的各種開關和測試電纜，以便把它們帶來的損耗在測試結果中校準掉。在這個以PNA-X 為例的示意中包也括了ATE 網絡。

圖5   導致測試結果不確定性的因素

使用Y因子方法，主要的誤差來源是噪聲源與DUT之間的失配，以及DUT產生的噪聲與測試系統之間的相互作用。如果在測試環境中增加了ATE 網絡(在噪聲源與DUT 之間增加了一個電網絡— 主要是開關和測試電纜) 則會導致更大的誤差。使用PNA-X 的基于源校準的冷噪聲源方法，最大的誤差來源是噪聲源的ENR的不確定性，在校準的過程中，它會影響PNA-X的內部噪聲接收機的測量結果。