如何使用網絡分析儀精確地測量噪聲系數

　　噪聲系數是一個品質因數，用于描述系統中的過量噪聲。將噪聲系數降至最低可以降低噪聲對系統的影響。在日常生活中，我們可以看到噪聲會降低電視畫面質量和無線通信的語音質量。在雷達等軍事設備中，噪聲會限制系統的有效作用范圍。在數字通信系統中，噪聲會增加系統的誤碼率。系統設計人員總是盡力優(yōu)化整個系統的信噪比。為了達到這個目標，我們可以增加信號或減少噪音。在雷達這樣的發(fā)射/接收系統中，提高信噪比的一種方法是使用更大的高功率放大器來增加發(fā)射信號的功率，或者使用大口徑天線。降低發(fā)射機和接收機之間的信號傳輸路徑中的損耗也可以提高信噪比，但信號傳輸路徑中的損耗主要由工作環(huán)境決定，這是系統設計者無法控制的。SNR也可以通過降低接收機產生的噪聲來提高，通常這是由接收機前端的低噪聲放大器(LNA)的質量決定的。與增加發(fā)射機功率的方法相比，降低接收機噪聲(并使接收機的噪聲系數更好)的方法將更容易和更經濟。

　　噪聲系數的定義是很簡單和直觀的。網絡的噪聲因子(F)的定義是輸入信號的SNR除以輸出信號的SNR:

　　F = (Si/Ni)/(So/No) ，式中:

　　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，包括那些可以把輸入信號的頻率變換為另外一個輸出頻率的電子網絡，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，我們以放大器為例。放大器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。如果該放大器是理想器件，輸出端口的噪聲信號功率也應等于輸入端口的噪聲信號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SNR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，或者說噪聲系數NF要大于0 dB。

　　在測量并比較噪聲系數時，必須要注意的是我們在測量過程中是假定測試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50Ω 端接負載。但在實際測量中，這樣完美的條件永遠不會存在。稍后我們會討論如果測試系統沒有完美的50Ω，系統會對噪聲系數的測量精度造成怎樣的影響。同時，我們也會講解各種校準和測量方法如何校正由于不理想的50Ω 源匹配引起的誤差。

　　另一種用來表達由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端接所產生的噪聲量的表達方式-kTB，其中k是玻爾茲曼常數，T是以開爾文為單位的端接溫度，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，器件所產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，一個超噪比(ENR)為15 dB的商用噪聲源所產生的電噪聲等效于溫度為8880 K的負載端接。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，它是輸入端接與一個噪聲為零的理想器件相連時的等效溫度(單位為開爾文)，該器件在輸出端口上會產生同樣大小的附加噪聲，Te與噪聲因子的關系是:

　　Te = 290*(F - 1)

　　圖1顯示了Te和噪聲系數的關系曲線。雖然大部分LNA的特征是用噪聲系數來描述的，但是當LNA的噪聲系數小于1 dB時，就會經常用Te來描述其噪聲特征。在進行與噪聲功率相關的計算時，Te也是一個很有用的參數。

　　圖1.有效噪聲溫度和噪聲系數的關系

　　噪聲系數的測量技術

　　有兩種測量噪聲系數的主要方法。最常用的是Y因子法或冷熱源法，是德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系數法使用經過校準的噪聲源，包括專門設計的開/關噪聲二極管，以及噪聲源后面的衰減器，可以提供更好的輸出匹配(圖2)。當二極管關斷時，即沒有偏置電流時，噪聲源會給被測器件帶來室溫端接負載。當二極管反向偏置時，二極管產生的雪崩效應將產生超過室溫下端接負載的電噪聲，這種額外的噪聲量被表征為“超噪聲比”(ENR)。對于給定的噪聲源，ENR的值將隨頻率而變化。根據內部衰減器的情況，典型噪聲源的標稱ENR值在5 dB到15 dB之間。使用噪聲源，可以在被測器件的輸出端口獲得兩個噪聲功率測量值，這兩個測量值的比值(稱為Y因子)可以用來計算噪聲系數。用Y因子法測量也能產生被測器件的標量增益。

　　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)端接負載，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，只需通過單次連接，就可以完成諸如S參數、壓縮、噪聲系數等多項指標的測試。

　　Y因子法

　　我們在這里要詳細介紹Y因子法。使用噪聲源我們可以進行兩個噪聲功率測量。一個是在噪聲源處在冷狀態(tài)(噪聲二極管關閉)下進行，另一個是在噪聲源處在熱狀態(tài)(噪聲二極管打開)下進行。從這兩個測量和噪聲源已知的ENR，我們就可以計算出兩個變量:被測放大器的標量增益和噪聲系數。

　  在測量被測設備時，測試儀器中噪聲接收器的噪聲也將被測量。為了消除附加噪聲對測量結果的影響，需要在測量開始前進行校準。校準過程是將噪聲源與測試儀器連接，然后測量內部噪聲接收器的噪聲系數。使用簡單的數學表達式，可以從整個系統的噪聲測量結果中提取被測器件的噪聲系數。這一步稱為第二階段噪聲校正，因為被測器件的噪聲系數是根據第二階段測試儀器中噪聲接收器的增益和噪聲系數進行校正的。

　　如果我們繪制放大器輸出噪聲功率與其輸入噪聲功率之間的關系，只要放大器是線性的，圖形曲線將是一條直線，如圖3所示。對于lna來說，這是一個很好的假設，因為它們的目的是放大遠離放大器壓縮區(qū)域的低電平信號。即使輸入噪聲為零，由于放大器內部的有源電路本身會產生噪聲，放大器的輸出端口仍會有一些噪聲。放大器本身產生的噪聲是噪聲系數測量中需要校準的量。從圖中我們不難看出，在求解放大器的增益(直線斜率)和噪聲系數(從Y軸截距點得出)時，為什么需要上述兩種噪聲功率測量。

　　圖3. Y因子法的圖解

　　冷源法

　　我們在這里要詳細介紹冷源法。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"端接)條件下，只進行噪聲功率測量，測得的噪聲是經放大的輸入噪聲再加上放大器或變頻器所產生的噪聲。如果可以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經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精確的結果，我們必須要對被測器件的增益了如指掌。矢量網絡分析儀使用2端口矢量誤差校正技術和其他先進的校準方法可以達到冷源法所需的精度，因此，冷源法是矢量網絡分析儀進行噪聲系數測量的理想選擇。

　　同Y因子法一樣，冷源法也需要一個校準步驟來表征儀器內部噪聲接收機的噪聲系數和增益。另外，這一步驟也需要一個噪聲源來完成;或者也可以使用功率計做掃頻測量來確定接收機的有效噪聲帶寬。注意，冷源法所使用的噪聲源或功率計只是在校準時才用到，被測器件進行測量時就不需要。

　　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。接下來只需進行一次功率測量就能確定這條直線和Y軸的交點，從而確定該直線在圖中的位置，這樣就可以推導出被測器件的噪聲系數。

　　圖4.冷源法的圖解

　　注意，當使用VNA測量被測器件的增益時可以采用矢量誤差校正技術，由此得到的增益測量結果要比用Y因子法測得的更加精確。矢量誤差校正要求對被測器件的四個S參數都進行測量，這需要分析儀做正向和反向兩次掃描。在后面我們將會討論如何利用被測器件經過校正的S11和S22參數來校正測量結果中的其他誤差。冷源法已經被進一步開發(fā)和應用到變頻器的測量，其中輸入頻率和輸出頻率并不相同。

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