噪聲系數(shù)的含義

    噪聲系數(shù)是用來描述一個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)的過多的噪聲量的品質(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系統(tǒng)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(zhì)量，也會使無線通信的話音質(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提高發(fā)射信號的功率，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(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) 的方法會更容易和便宜一些。

    噪聲系數(shù)的定義是很簡單和直觀的。一個(gè)電子系統(tǒng)的噪聲因子 (F) 的定義是系統(tǒng)輸入信號的信噪比除以系統(tǒng)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(shù) (NF)，NF = 10*log (F)。

    這個(gè)對噪聲系數(shù)的定義對任何電子網(wǎng)絡(luò)都是正確的，包括那些可以把在一個(gè)頻率上的輸入信號變換為另外一個(gè)頻率的信號再輸出的電子網(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(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的功率也應(yīng)該等于輸入端口上噪聲信號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(jié)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(shù) NF 要大于 0 dB。

    在測量并比較噪聲系數(shù)的測量結(jié)果時(shí)，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(tǒng)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(fù)載條件?？墒窃趯?shí)際測量中，這樣完美的條件永遠(yuǎn)不會存在。稍后我們會討論如果測量系統(tǒng)不是很完美的 50 Ω 系統(tǒng)會對噪聲系數(shù)的測量精度造成怎樣的影響。同時(shí)，我們也會看到各種校準(zhǔn)和測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量誤差的。

圖1   器件對信號的處理過程

    另一種用來表達(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)從市場上可以買到的超噪比(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)來描述的，但是當(dāng) LNA 的噪聲系數(shù)小于 1 時(shí)，就會經(jīng)常用 Te 來描述它的噪聲特性。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)測量方法

    主要有兩種測量噪聲系數(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量噪聲系數(shù)。

    Y 因子法使用經(jīng)過校準(zhǔn)的由特制的可以打開和關(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，也即沒有偏置電流存在的時(shí)候，噪聲源對于被測器件來說所呈現(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)會產(chǎn)生一個(gè)超過負(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)。對于一個(gè)給定的噪聲源，ENR 的值會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器件的輸出端口得到兩個(gè)噪聲功率的測量結(jié)果，然后，這兩個(gè)測量結(jié)果的比值 — 被稱之為 Y 因子 — 可以用來計(jì)算噪聲系數(shù)。使用 Y 因子法進(jìn)行測量還可以產(chǎn)生被測器件的標(biāo)量增益的測量結(jié)果。

圖2   超噪源的原理圖

    第二種測量噪聲系數(shù)的方法是冷源法，有時(shí)也把這種方法叫做直接噪聲測量法 — 在被測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)測量被測器件的增益。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 測量噪聲系數(shù)就經(jīng)常采用冷源法，因?yàn)檫@可以使我們在測量放大器或變頻器時(shí)，只需要把被測器件與儀表進(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)的測試。

Y 因子法
    我們在這里要仔細(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 (噪聲二極管是打開的) 狀態(tài)下得到的。從這兩個(gè)測量結(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 — 被測放大器的標(biāo)量增益和噪聲系數(shù)。
    在對被測器件進(jìn)行測量的同時(shí)，測量儀表中噪聲測量接收機(jī)的噪聲也會被測量到。為了把這部分附加的噪聲從測量結(jié)果中去除掉，在測量開始之前需要進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的過程就是把噪聲源與測量儀表連接起來，測量儀表內(nèi)噪聲測量接收機(jī)的噪聲系數(shù)。經(jīng)過校準(zhǔn)之后，使用一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式就可以把被測器件的噪聲系數(shù)從全部整個(gè)系統(tǒng)的噪聲測量結(jié)果中提取出來。這一步驟被叫做第二級噪聲校準(zhǔn)，這是因?yàn)楸粶y器件噪聲系數(shù)的測量結(jié)果是基于測試系統(tǒng)第二級 — 測試儀表的噪聲測量接收機(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)系就會遵循一條直線的關(guān)系，如圖 3 所示。對于低噪聲放大器來說，這是一個(gè)很好的假設(shè)，因?yàn)樗鼈兊哪康木褪欠糯笮⌒盘?，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)部有源電路自身會產(chǎn)生噪聲的機(jī)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(gè)由放大器自身所產(chǎn)生的噪聲就是噪聲系數(shù)測量中所要標(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)噪聲功率的測量結(jié)果。

圖3   Y 因子測量法的圖解

冷源法
    我們來仔細(xì)地看看使用冷源法測量噪聲系數(shù)的技術(shù)。冷源法的技術(shù)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(fù)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(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)，那么就可以從測量結(jié)果中把被放大的輸入噪聲去掉，只留下由被測器件產(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量中得到很精確的測量結(jié)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(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(wǎng)絡(luò)分析儀測量噪聲系數(shù)的。

    和使用 Y 因子法測量噪聲系數(shù)的方法一樣，冷源法也需要一個(gè)校準(zhǔn)步驟來表征儀表內(nèi)噪聲測量接收機(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)噪聲源來完成; 或者也可以使用一個(gè)功率計(jì)做掃頻測量來獲得接收機(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)之后再對被測器件進(jìn)行測試時(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(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器件的噪聲系數(shù)。

圖4   冷源測量法的圖示

    需要主意的是，當(dāng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量被測器件的增益時(shí)可以使用矢量誤差校準(zhǔn)，這樣得到的增益的測量結(jié)果會比用 Y 因子法測量得到的結(jié)果更精確。矢量校準(zhǔn)需要對被測器件的四個(gè) S 參數(shù)都進(jìn)行測量，這需要網(wǎng)絡(luò)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(jīng)過校準(zhǔn)的測量結(jié)果來校準(zhǔn)測量結(jié)果中的其它誤差項(xiàng)。冷源法測量放大器噪聲系數(shù)的技術(shù)已經(jīng)被進(jìn)一步開發(fā)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(shù)。

測量結(jié)果的不確定性

    有幾個(gè)關(guān)鍵因素會影響到整個(gè)噪聲系數(shù)測量結(jié)果的不確定性。選擇噪聲系數(shù)測試方案時(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)，就會有兩種誤差來源。第一個(gè)為失配誤差，這會導(dǎo)致測試系統(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)。

    對于Y 因子方法，在計(jì)算噪聲系數(shù)測試結(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)— 用它來仿真自動(dòng)測試系統(tǒng)(ATE) 中所用到的各種開關(guān)和測試電纜，以便把它們帶來的損耗在測試結(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)致測試結(jié)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(chǎn)生的噪聲與測試系統(tǒng)之間的相互作用。如果在測試環(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)— 主要是開關(guān)和測試電纜) 則會導(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，最大的誤差來源是噪聲源的ENR的不確定性，在校準(zhǔn)的過程中，它會影響PNA-X的內(nèi)部噪聲接收機(jī)的測量結(jié)果。