如何使用網(wǎng)絡(luò)分析儀精確地測(cè)量噪聲系數(shù)

　　噪聲系數(shù)是一個(gè)品質(zhì)因數(shù)，用于描述系統(tǒng)中的過(guò)量噪聲。將噪聲系數(shù)降至最低可以降低噪聲對(duì)系統(tǒng)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)面質(zhì)量和無(wú)線通信的語(yǔ)音質(zhì)量。在雷達(dá)等軍事設(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，噪聲會(huì)增加系統(tǒng)的誤碼率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員總是盡力優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，我們可以增加信號(hào)或減少噪音。在雷達(dá)這樣的發(fā)射/接收系統(tǒng)中，提高信噪比的一種方法是使用更大的高功率放大器來(lái)增加發(fā)射信號(hào)的功率，或者使用大口徑天線。降低發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的信號(hào)傳輸路徑中的損耗也可以提高信噪比，但信號(hào)傳輸路徑中的損耗主要由工作環(huán)境決定，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者無(wú)法控制的。SNR也可以通過(guò)降低接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲來(lái)提高，通常這是由接收機(jī)前端的低噪聲放大器(LNA)的質(zhì)量決定的。與增加發(fā)射機(jī)功率的方法相比，降低接收機(jī)噪聲(并使接收機(jī)的噪聲系數(shù)更好)的方法將更容易和更經(jīng)濟(jì)。

　　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。如果該放大器是理想器件，輸出端口的噪聲信號(hào)功率也應(yīng)等于輸入端口的噪聲信號(hào)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50Ω 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50Ω，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50Ω 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:

　　Te = 290*(F - 1)

　　圖1顯示了Te和噪聲系數(shù)的關(guān)系曲線。雖然大部分LNA的特征是用噪聲系數(shù)來(lái)描述的，但是當(dāng)LNA的噪聲系數(shù)小于1 dB時(shí)，就會(huì)經(jīng)常用Te來(lái)描述其噪聲特征。在進(jìn)行與噪聲功率相關(guān)的計(jì)算時(shí)，Te也是一個(gè)很有用的參數(shù)。

　　圖1.有效噪聲溫度和噪聲系數(shù)的關(guān)系

　　噪聲系數(shù)的測(cè)量技術(shù)

　　有兩種測(cè)量噪聲系數(shù)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(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系數(shù)法使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的噪聲源，包括專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的開(kāi)/關(guān)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(dāng)二極管關(guān)斷時(shí)，即沒(méi)有偏置電流時(shí)，噪聲源會(huì)給被測(cè)器件帶來(lái)室溫端接負(fù)載。當(dāng)二極管反向偏置時(shí)，二極管產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)將產(chǎn)生超過(guò)室溫下端接負(fù)載的電噪聲，這種額外的噪聲量被表征為“超噪聲比”(ENR)。對(duì)于給定的噪聲源，ENR的值將隨頻率而變化。根據(jù)內(nèi)部衰減器的情況，典型噪聲源的標(biāo)稱(chēng)ENR值在5 dB到15 dB之間。使用噪聲源，可以在被測(cè)器件的輸出端口獲得兩個(gè)噪聲功率測(cè)量值，這兩個(gè)測(cè)量值的比值(稱(chēng)為Y因子)可以用來(lái)計(jì)算噪聲系數(shù)。用Y因子法測(cè)量也能產(chǎn)生被測(cè)器件的標(biāo)量增益。

　　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)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。

　　Y因子法

　　我們?cè)谶@里要詳細(xì)介紹Y因子法。使用噪聲源我們可以進(jìn)行兩個(gè)噪聲功率測(cè)量。一個(gè)是在噪聲源處在冷狀態(tài)(噪聲二極管關(guān)閉)下進(jìn)行，另一個(gè)是在噪聲源處在熱狀態(tài)(噪聲二極管打開(kāi))下進(jìn)行。從這兩個(gè)測(cè)量和噪聲源已知的ENR，我們就可以計(jì)算出兩個(gè)變量:被測(cè)放大器的標(biāo)量增益和噪聲系數(shù)。

　  在測(cè)量被測(cè)設(shè)備時(shí)，測(cè)試儀器中噪聲接收器的噪聲也將被測(cè)量。為了消除附加噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，需要在測(cè)量開(kāi)始前進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過(guò)程是將噪聲源與測(cè)試儀器連接，然后測(cè)量?jī)?nèi)部噪聲接收器的噪聲系數(shù)。使用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以從整個(gè)系統(tǒng)的噪聲測(cè)量結(jié)果中提取被測(cè)器件的噪聲系數(shù)。這一步稱(chēng)為第二階段噪聲校正，因?yàn)楸粶y(cè)器件的噪聲系數(shù)是根據(jù)第二階段測(cè)試儀器中噪聲接收器的增益和噪聲系數(shù)進(jìn)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(guān)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(duì)于lna來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很好的假設(shè)，因?yàn)樗鼈兊哪康氖欠糯筮h(yuǎn)離放大器壓縮區(qū)域的低電平信號(hào)。即使輸入噪聲為零，由于放大器內(nèi)部的有源電路本身會(huì)產(chǎn)生噪聲，放大器的輸出端口仍會(huì)有一些噪聲。放大器本身產(chǎn)生的噪聲是噪聲系數(shù)測(cè)量中需要校準(zhǔn)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(shù)(從Y軸截距點(diǎn)得出)時(shí)，為什么需要上述兩種噪聲功率測(cè)量。

　　圖3. Y因子法的圖解

　　冷源法

　　我們?cè)谶@里要詳細(xì)介紹冷源法。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"端接)條件下，只進(jìn)行噪聲功率測(cè)量，測(cè)得的噪聲是經(jīng)放大的輸入噪聲再加上放大器或變頻器所產(chǎn)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(cè)量結(jié)果中把經(jīng)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)量中得到精確的結(jié)果，我們必須要對(duì)被測(cè)器件的增益了如指掌。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用2端口矢量誤差校正技術(shù)和其他先進(jìn)的校準(zhǔn)方法可以達(dá)到冷源法所需的精度，因此，冷源法是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)量的理想選擇。

　　同Y因子法一樣，冷源法也需要一個(gè)校準(zhǔn)步驟來(lái)表征儀器內(nèi)部噪聲接收機(jī)的噪聲系數(shù)和增益。另外，這一步驟也需要一個(gè)噪聲源來(lái)完成;或者也可以使用功率計(jì)做掃頻測(cè)量來(lái)確定接收機(jī)的有效噪聲帶寬。注意，冷源法所使用的噪聲源或功率計(jì)只是在校準(zhǔn)時(shí)才用到，被測(cè)器件進(jìn)行測(cè)量時(shí)就不需要。

　　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)只需進(jìn)行一次功率測(cè)量就能確定這條直線和Y軸的交點(diǎn)，從而確定該直線在圖中的位置，這樣就可以推導(dǎo)出被測(cè)器件的噪聲系數(shù)。

　　圖4.冷源法的圖解

　　注意，當(dāng)使用VNA測(cè)量被測(cè)器件的增益時(shí)可以采用矢量誤差校正技術(shù)，由此得到的增益測(cè)量結(jié)果要比用Y因子法測(cè)得的更加精確。矢量誤差校正要求對(duì)被測(cè)器件的四個(gè)S參數(shù)都進(jìn)行測(cè)量，這需要分析儀做正向和反向兩次掃描。在后面我們將會(huì)討論如何利用被測(cè)器件經(jīng)過(guò)校正的S11和S22參數(shù)來(lái)校正測(cè)量結(jié)果中的其他誤差。冷源法已經(jīng)被進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用到變頻器的測(cè)量，其中輸入頻率和輸出頻率并不相同。

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