我們今天的目的之一是讓您能夠更好地理解在噪聲系數(shù)測(cè)量中的測(cè)量精度問(wèn)題，測(cè)量精度無(wú)論是對(duì)產(chǎn)品研發(fā)還是對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)都是很重要的。

精確測(cè)量噪聲系數(shù)的重要性

在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，更高的噪聲系數(shù)測(cè)量精度不僅意味著在產(chǎn)品的仿真和測(cè)量結(jié)果之間可以有更好的相關(guān)性，有助于設(shè)計(jì)人員更快地把電路模型精細(xì)化，它還意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以對(duì)諸如雷達(dá)之類(lèi)的發(fā)射/接收系統(tǒng)的性能進(jìn)行更好的優(yōu)化。當(dāng)把系統(tǒng)的性能指標(biāo)分解成系統(tǒng)所有各個(gè)部件的性能指標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須要根據(jù)測(cè)量精度給每個(gè)器件的指標(biāo)增加防護(hù)頻帶，器件的設(shè)計(jì)人員也會(huì)據(jù)此對(duì)其器件進(jìn)行性能驗(yàn)證。具體說(shuō)到噪聲系數(shù)，改善的測(cè)量精度和更小的防護(hù)頻帶意味著 LNA 可以有更好的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)而達(dá)到使用較小功率的發(fā)射放大器就能夠獲得同樣的系統(tǒng)總體 SNR 的目的。由此可以使用更小、更輕、更便宜的發(fā)射機(jī)，這對(duì)于機(jī)載和星載應(yīng)用是極為重要的。

在產(chǎn)品的生產(chǎn)測(cè)試中，改善的測(cè)量精度還可以允許使用較小的防護(hù)頻帶，這樣可以在多個(gè)測(cè)試站的測(cè)量結(jié)果中取得更好的相關(guān)性，這意味著需要返工的產(chǎn)品越來(lái)越少，良率和吞吐量都大有提高，測(cè)試成本也進(jìn)一步下降。更小的防護(hù)頻帶還可以讓產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)更出色、更具競(jìng)爭(zhēng)性，從而可以以更高的價(jià)格銷(xiāo)售或是占據(jù)更多的市場(chǎng)份額。

噪聲系數(shù)概述

什么是噪聲系數(shù) ?

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)的比特誤碼率。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)，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/接收系統(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)傳輸路徑上的損耗也可以提高 SNR，但是信號(hào)在傳輸路徑上的損耗大都是由工作環(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)生的噪聲來(lái)提高 SNR－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。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 (以及讓接收機(jī)的噪聲系數(shù)的指標(biāo)更好) 的方法會(huì)更容易和經(jīng)濟(jì)一些。

噪聲系數(shù)的定義是很簡(jiǎn)單和直觀的。網(wǎng)絡(luò)的噪聲因子 (F) 的定義是輸入信號(hào)的 SNR 除以輸出信號(hào)的 SNR:

F = (Si/Ni)/(So/No)，式中:

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，包括那些可以把輸入信號(hào)的頻率變換為另外一個(gè)輸出頻率的電子網(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，我們以放大器為例。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 SNR 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)輸出端口上的 SNR 要比輸入端口上的 SNR 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)時(shí)，必須要注意的是我們?cè)跍y(cè)量過(guò)程中是假定測(cè)試系統(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 端接負(fù)載。但在實(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)試系統(tǒng)沒(méi)有完美的 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)講解各種校準(zhǔn)和測(cè)量方法如何校正由于不理想的 50 Ω 源匹配引起的誤差。

另一種用來(lái)表達(dá)由放大器或系統(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)源端接所產(chǎn)生的噪聲量的表達(dá)方式－kTB，其中 k 是玻爾茲曼常數(shù)，T 是以開(kāi)爾文為單位的端接溫度，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，器件所產(chǎn)生的噪聲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)超噪比 (ENR) 為 15 dB 的商用噪聲源所產(chǎn)生的電噪聲等效于溫度為 8880 K 的負(fù)載端接。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，它是輸入端接與一個(gè)噪聲為零的理想器件相連時(shí)的等效溫度 (單位為開(kāi)爾文)，該器件在輸出端口上會(huì)產(chǎn)生同樣大小的附加噪聲，Te 與噪聲因子的關(guān)系是:

一個(gè)超過(guò)室溫端接負(fù)載的電噪聲，這個(gè)額外產(chǎn)生的噪聲量被表征為 "超噪比" (即 ENR)。對(duì)于一個(gè)給定的噪聲源，ENR 的值會(huì)隨著頻率而變化。根據(jù)內(nèi)部衰減器的情況的不同，典型噪聲源的 ENR 標(biāo)稱值的范圍在 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，這兩個(gè)測(cè)量結(jié)果的比值 (稱為 Y 因子) 可用來(lái)計(jì)算噪聲系數(shù)。使用 Y 因子法進(jìn)行測(cè)量還能生成被測(cè)器件的標(biāo)量增益。

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) 端接負(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)，只需通過(guò)單次連接，就可以完成諸如 S 參數(shù)、壓縮、噪聲系數(shù)等多項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試。