噪聲系數(shù)的含義和測(cè)量方法

噪聲系數(shù)的含義

噪聲系數(shù)是用來(lái)描述一個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)的過(guò)多的噪聲量的品質(zhì)因數(shù)。把噪聲系數(shù)降低到最小的程度可以減小噪聲對(duì)系統(tǒng)造成的影響。在日常生活中，我們可以看到噪聲會(huì)降低電視畫(huà)面的質(zhì)量，也會(huì)使無(wú)線通信的話音質(zhì)量
變差; 在諸如雷達(dá)等的軍用設(shè)備中，噪聲會(huì)限制系統(tǒng)的有效作用范圍; 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，噪聲則會(huì)增加系統(tǒng)的誤碼率。電子設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員總是在盡最大努力使整個(gè)系統(tǒng)的信噪比 (SNR) 達(dá)到最優(yōu)化的程度，為了達(dá)到這個(gè)目的，可以用把信號(hào)提高的辦法，也可以用把噪聲降低的辦法。在像雷達(dá)這樣的發(fā)射接受系統(tǒng)中，提高信噪比的一種方法是用更大的大功率放大器來(lái)提高發(fā)射信號(hào)的功率，或使用大口徑天線。降低在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間信號(hào)傳輸路徑上對(duì)信號(hào)的衰耗也可以提高信噪比，但是信號(hào)在傳輸路徑上的衰耗大都是由工作環(huán)境所決定的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員控制不了這方面的因素。還可以通過(guò)降低由接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲 — 通常這都是由接收機(jī)前端的低噪聲放大器 (LNA) 的質(zhì)量決定的 — 來(lái)提高信噪比。與使用提高發(fā)射機(jī)功率的方法相比，降低接收機(jī)的噪聲 (以及讓接受機(jī)的噪聲系數(shù)的指標(biāo)更好) 的方法會(huì)更容易和便宜一些。

噪聲系數(shù)的定義是很簡(jiǎn)單和直觀的。一個(gè)電子系統(tǒng)的噪聲因子 (F) 的定義是系統(tǒng)輸入信號(hào)的信噪比除以系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比:

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

Si = 輸入信號(hào)的功率
So = 輸出信號(hào)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(lái)表示就是噪聲系數(shù) (NF)，NF = 10*log (F)。

這個(gè)對(duì)噪聲系數(shù)的定義對(duì)任何電子網(wǎng)絡(luò)都是正確的，包括那些可以把在一個(gè)頻率上的輸入信號(hào)變換為另外一個(gè)頻率的信號(hào)再輸出的電子網(wǎng)絡(luò)，例如上變頻器或下變頻器。

為了更好地理解噪聲系數(shù)的定義，我們來(lái)看看放大器的例子。放大器的輸出信號(hào)的功率等于放大器輸入信號(hào)的功率乘以放大器的增益，如果這個(gè)放大器是一個(gè)很理想的器件的話，其輸出端口上噪聲信號(hào)的功率也應(yīng)該等于輸入端口上噪聲信號(hào)的功率乘以放大器的增益，結(jié)果是在放大器的輸入端口和輸出端口上信號(hào)的信噪比是相同的。然而，實(shí)際情況是任何放大器輸出信號(hào)的噪聲功率都比輸入信號(hào)的噪聲功率乘以放大器的增益所得到的結(jié)果大，也就是說(shuō)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(shuō)噪聲系數(shù) NF 要大于 0 dB。

在測(cè)量并比較噪聲系數(shù)的測(cè)量結(jié)果時(shí)，非常重要的是要注意我們?cè)跍y(cè)量的過(guò)程中是假定測(cè)量系統(tǒng)能夠在被測(cè)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(fù)載條件。可是在實(shí)際測(cè)量中，這樣完美的條件永遠(yuǎn)不會(huì)存在。稍后我們會(huì)討論如果測(cè)量系統(tǒng)不是很完美的 50 Ω 系統(tǒng)會(huì)對(duì)噪聲系數(shù)的測(cè)量精度造成怎樣的影響。同時(shí)，我們也會(huì)看到各種校準(zhǔn)和測(cè)量方法是怎么克服因?yàn)椴皇呛芡昝赖?50 Ω 的源匹配而造成的測(cè)量誤差的。

圖1   器件對(duì)信號(hào)的處理過(guò)程

另一種用來(lái)表達(dá)由一個(gè)放大器或系統(tǒng)引入的附加噪聲的術(shù)語(yǔ)是有效輸入溫度 (Te)。為了理解這個(gè)參數(shù)，我們需要先看一下無(wú)源負(fù)載所產(chǎn)生的噪聲的量的表達(dá)方式 — kTB，其中 k 是玻爾茲曼常數(shù)，T 是以開(kāi)爾文為單位的負(fù)載的溫度，B 是系統(tǒng)帶寬。因?yàn)樵谀硞€(gè)給定的帶寬內(nèi)，器件產(chǎn)生的噪聲和溫度是成正比的，所以，一個(gè)器件所產(chǎn)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(gè)從市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的超噪比(ENR)為 15 dB 的噪聲源產(chǎn)生的電噪聲可以等效表示為溫度為 8880 K 的負(fù)載。任何一個(gè)實(shí)際器件的噪聲系數(shù)都可以表示為一個(gè)有效輸入噪聲溫度。顯然 Te 不是放大器或變頻器的實(shí)際物理溫度，它是與一個(gè) (噪聲為零的) 完美器件相連的在輸出端會(huì)產(chǎn)生同樣大小的附加噪聲的輸入負(fù)載的等效溫度 (單位為開(kāi)爾文)，Te 與噪聲因子的關(guān)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(shù)來(lái)描述的，但是當(dāng) LNA 的噪聲系數(shù)小于 1 時(shí)，就會(huì)經(jīng)常用 Te 來(lái)描述它的噪聲特性。在做涉及到噪聲功率的計(jì)算時(shí)，Te 也是一個(gè)很有用的參數(shù)。

噪聲系數(shù)測(cè)量方法

主要有兩種測(cè)量噪聲系數(shù)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(shù)分析儀和頻譜分析儀都是用這種方法測(cè)量噪聲系數(shù)。

Y 因子法使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的由特制的可以打開(kāi)和關(guān)閉的噪聲二極管組成的噪聲源，在噪聲源的后面還有一個(gè)用來(lái)提供較好的輸出匹配的衰減器，如圖2 所示。當(dāng)二極管被關(guān)閉，也即沒(méi)有偏置電流存在的時(shí)候，噪聲源對(duì)于被測(cè)器件來(lái)說(shuō)所呈現(xiàn)的是一個(gè)溫度為室溫的負(fù)載。當(dāng)二極管被反向偏置的時(shí)候，它所產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)超過(guò)負(fù)載在室溫環(huán)境下所產(chǎn)生的噪聲的電噪聲，這個(gè)額外產(chǎn)生的噪聲的量被表征為“超噪比”(即 ENR)。對(duì)于一個(gè)給定的噪聲源，ENR 的值會(huì)隨著頻率的變化而變化。根據(jù)噪聲源內(nèi)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(cè)器件的輸出端口得到兩個(gè)噪聲功率的測(cè)量結(jié)果，然后，這兩個(gè)測(cè)量結(jié)果的比值 — 被稱(chēng)之為 Y 因子 — 可以用來(lái)計(jì)算噪聲系數(shù)。使用 Y 因子法進(jìn)行測(cè)量還可以產(chǎn)生被測(cè)器件的標(biāo)量增益的測(cè)量結(jié)果。

圖2   超噪源的原理圖

第二種測(cè)量噪聲系數(shù)的方法是冷源法，有時(shí)也把這種方法叫做直接噪聲測(cè)量法 — 在被測(cè)器件的輸入端口連接一個(gè)冷 (通常是室溫的) 負(fù)載，另外再單獨(dú)測(cè)量被測(cè)器件的增益。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 測(cè)量噪聲系數(shù)就經(jīng)常采用冷源法，因?yàn)檫@可以使我們?cè)跍y(cè)量放大器或變頻器時(shí)，只需要把被測(cè)器件與儀表進(jìn)行一次連接，就可以完成諸如 S 參數(shù)、增益壓縮、噪聲系數(shù)等多項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試。

Y 因子法

我們?cè)谶@里要仔細(xì)看一下 Y 因子法。使用噪聲源我們可以得到兩個(gè)噪聲功率的測(cè)量果: 一個(gè)是在噪聲源處在冷 (噪聲二極管是關(guān)閉的) 狀態(tài)下得到的，另一個(gè)是在噪聲源處在熱 (噪聲二極管是打開(kāi)的) 狀態(tài)下得到的。從這兩個(gè)測(cè)量結(jié)果和噪聲源已知的 ENR 的值我們就可以計(jì)算出兩個(gè)變量的結(jié)果 — 被測(cè)放大器的標(biāo)量增益和噪聲系數(shù)。

在對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)，測(cè)量?jī)x表中噪聲測(cè)量接收機(jī)的噪聲也會(huì)被測(cè)量到。為了把這部分附加的噪聲從測(cè)量結(jié)果中去除掉，在測(cè)量開(kāi)始之前需要進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的過(guò)程就是把噪聲源與測(cè)量?jī)x表連接起來(lái)，測(cè)量?jī)x表內(nèi)噪聲測(cè)量接收機(jī)的噪聲系數(shù)。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)之后，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式就可以把被測(cè)器件的噪聲系數(shù)從全部整個(gè)系統(tǒng)的噪聲測(cè)量結(jié)果中提取出來(lái)。這一步驟被叫做第二級(jí)噪聲校準(zhǔn)，這是因?yàn)楸粶y(cè)器件噪聲系數(shù)的測(cè)量結(jié)果是基于測(cè)試系統(tǒng)第二級(jí) — 測(cè)試儀表的噪聲測(cè)量接收機(jī) — 的增益和噪聲系數(shù)的值進(jìn)行校準(zhǔn)的。

如果我們把一個(gè)放大器輸出的噪聲功率與其輸入噪聲功率的關(guān)系畫(huà)成圖的話，只要這個(gè)放大器是線性的，那么這個(gè)關(guān)系就會(huì)遵循一條直線的關(guān)系，如圖 3 所示。對(duì)于低噪聲放大器來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很好的假設(shè)，因?yàn)樗鼈兊哪康木褪欠糯笮⌒盘?hào)，它們工作在遠(yuǎn)離放大器壓縮區(qū)的區(qū)域。即便是輸入噪聲為零的情況下，由于放大器內(nèi)部有源電路自身會(huì)產(chǎn)生噪聲的機(jī)理，在放大器的輸出端口上還是會(huì)有一定量的噪聲存在。這個(gè)由放大器自身所產(chǎn)生的噪聲就是噪聲系數(shù)測(cè)量中所要標(biāo)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(shù) (在 Y 軸上的截點(diǎn)) 這兩個(gè)參數(shù)時(shí)需要使用兩個(gè)噪聲功率的測(cè)量結(jié)果。

圖3   Y 因子測(cè)量法的圖解

冷源法

我們來(lái)仔細(xì)地看看使用冷源法測(cè)量噪聲系數(shù)的技術(shù)。冷源法的技術(shù)在概念上是很簡(jiǎn)單的，被測(cè)器件的輸入端始終在室溫 (所謂的“冷”負(fù)載) 溫度，只做噪聲功率的測(cè)量，測(cè)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(xiàn)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(cè)量結(jié)果中把被放大的輸入噪聲去掉，只留下由被測(cè)器件產(chǎn)生的噪聲，由此就可以計(jì)算出噪聲系數(shù)。為了能夠在冷源法測(cè)量中得到很精確的測(cè)量結(jié)果，我們必須要在非常精密的程度上知道被測(cè)器件的增益。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用 2 端口矢量誤差校準(zhǔn)技術(shù)和其它先進(jìn)的校準(zhǔn)方法可以達(dá)到冷源測(cè)量法所需要的精度等級(jí)，因此，冷源法是非常適合于用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量噪聲系數(shù)的。

和使用 Y 因子法測(cè)量噪聲系數(shù)的方法一樣，冷源法也需要一個(gè)校準(zhǔn)步驟來(lái)表征儀表內(nèi)噪聲測(cè)量接收機(jī)的噪聲系數(shù)和增益。和冷源法一樣，這一步驟也需要一個(gè)噪聲源來(lái)完成; 或者也可以使用一個(gè)功率計(jì)做掃頻測(cè)量來(lái)獲得接收機(jī)的有效噪聲帶寬。在這里需要主意的是，冷源法測(cè)量中所使用的噪聲源或功率計(jì)只是在校準(zhǔn)時(shí)才用到，校準(zhǔn)之后再對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行測(cè)試時(shí)就不再需要了。

圖 4 是輸出噪聲功率與輸入噪聲功率的關(guān)系圖，在這里，我們可以單獨(dú)測(cè)量被測(cè)器件的增益而得到這條直線的斜率。接下來(lái)只需要做一次功率的測(cè)量就可以確定這條直線和 Y 軸的交點(diǎn)，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(cè)器件的噪聲系數(shù)。

圖4   冷源測(cè)量法的圖示

需要主意的是，當(dāng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量被測(cè)器件的增益時(shí)可以使用矢量誤差校準(zhǔn)，這樣得到的增益的測(cè)量結(jié)果會(huì)比用 Y 因子法測(cè)量得到的結(jié)果更精確。矢量校準(zhǔn)需要對(duì)被測(cè)器件的四個(gè) S 參數(shù)都進(jìn)行測(cè)量，這需要網(wǎng)絡(luò)儀做正向和反向兩次掃描測(cè)量。在后面我們將會(huì)討論怎樣用被測(cè)器件的 S11 和 S22 經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果來(lái)校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果中的其它誤差項(xiàng)。冷源法測(cè)量放大器噪聲系數(shù)的技術(shù)已經(jīng)被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)使之能夠用于測(cè)量輸入信號(hào)的頻率和輸出信號(hào)的頻率不一樣的變頻器件的噪聲系數(shù)。

測(cè)量結(jié)果的不確定性

有幾個(gè)關(guān)鍵因素會(huì)影響到整個(gè)噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果的不確定性。選擇噪聲系數(shù)測(cè)試方案時(shí)，非常重要的一點(diǎn)是要選擇一種能把影響整個(gè)噪聲系數(shù)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(shù)測(cè)量結(jié)果不確定性的因素，有一部分可在儀表的技術(shù)指標(biāo)中找到，例如儀表本身測(cè)試結(jié)果的不確定性、超噪聲比(ENR) 的不確定性和抖動(dòng)等。而其它因素則取決于測(cè)試系統(tǒng)與DUT之間的相互作用。例如，由于系統(tǒng)源匹配的不完善(偏離理想的50 歐姆)，就會(huì)有兩種誤差來(lái)源。第一個(gè)為失配誤差，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)與DUT 之間的能量傳送不理想。第二個(gè)誤差源則來(lái)自于DUT內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲與從DUT一側(cè)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(shù)測(cè)量結(jié)果的不確定性。在這個(gè)例子中放大器的噪聲系數(shù)為3dB，增益為15 dB，輸入和輸出匹配為10dB，其噪聲參數(shù)也是比較適中的(Fmin = 2.8dB、Γopt = 0.27 + j0 和Rn= 37.4)。

對(duì)于Y 因子方法，在計(jì)算噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果的不確定性時(shí)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(gè)電網(wǎng)絡(luò)— 用它來(lái)仿真自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(ATE) 中所用到的各種開(kāi)關(guān)和測(cè)試電纜，以便把它們帶來(lái)的損耗在測(cè)試結(jié)果中校準(zhǔn)掉。在這個(gè)以PNA-X 為例的示意中包也括了ATE 網(wǎng)絡(luò)。

圖5   導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不確定性的因素

使用Y因子方法，主要的誤差來(lái)源是噪聲源與DUT之間的失配，以及DUT產(chǎn)生的噪聲與測(cè)試系統(tǒng)之間的相互作用。如果在測(cè)試環(huán)境中增加了ATE 網(wǎng)絡(luò)(在噪聲源與DUT 之間增加了一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)— 主要是開(kāi)關(guān)和測(cè)試電纜) 則會(huì)導(dǎo)致更大的誤差。使用PNA-X 的基于源校準(zhǔn)的冷噪聲源方法，最大的誤差來(lái)源是噪聲源的ENR的不確定性，在校準(zhǔn)的過(guò)程中，它會(huì)影響PNA-X的內(nèi)部噪聲接收機(jī)的測(cè)量結(jié)果。