三種測(cè)量噪聲系數(shù)的典型方法

　　1 引言

　　噪聲系數(shù)是微波產(chǎn)品研制和生產(chǎn)過(guò)程中的一項(xiàng)主要測(cè)量參數(shù)，是表征接收機(jī)及其組成部件在有熱噪聲存在的情況下處理微弱信號(hào)能力的關(guān)鍵參數(shù)之一，噪聲系數(shù)的計(jì)量測(cè)試更是噪聲計(jì)量測(cè)試的重要內(nèi)容。

　　在工程上定義噪聲因子（F）為若線性兩端口網(wǎng)絡(luò)具有確定的輸入端和輸出端，且輸入端源阻抗處于290。K（室溫）時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸入端信號(hào)噪聲功率比與網(wǎng)絡(luò)輸出端信號(hào)噪聲功率比的比值。

　　其中， Si為輸入信號(hào)功率，Ni為輸入噪聲功率，So 為輸出信號(hào)功率，No為輸出噪聲功率，G為兩端口網(wǎng)絡(luò)增益，Na為兩端口網(wǎng)絡(luò)本身的噪聲功率。

　　它明確地表明了由于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生噪聲，使網(wǎng)絡(luò)輸入端信噪比經(jīng)過(guò)該網(wǎng)絡(luò)傳輸后信噪比惡化的倍數(shù)，也就是傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)其輸出端總噪聲功率貢獻(xiàn)的大小。噪聲系數(shù)（NF）為噪聲因子的對(duì)數(shù)表達(dá)形式，定義如下：

　　可重復(fù)的、高精度的噪聲系數(shù)測(cè)量方法是非常重要的，本文討論其中三種典型方法：噪聲測(cè)試儀法、增益法和Y系數(shù)法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Y系數(shù)法的準(zhǔn)確度。

　　2 噪聲測(cè)試儀法

　　使用噪聲測(cè)試儀是測(cè)量噪聲系數(shù)最直接方法，在大多數(shù)情況下也是最準(zhǔn)確的。工程師可在特定的頻率范圍內(nèi)測(cè)量噪聲系數(shù)。噪聲測(cè)試儀能夠同時(shí)顯示增益和噪聲系數(shù)來(lái)幫助測(cè)量。噪聲測(cè)試儀的測(cè)試原理圖如圖1所示。

　　圖1 噪聲測(cè)試儀法原理圖

　　噪聲測(cè)試儀測(cè) 試噪聲系數(shù)的核心是Y系數(shù)法。首先，噪聲測(cè)試儀本身是一臺(tái)接收機(jī)，可以用來(lái)測(cè)試輸人的噪聲功率；其次噪聲測(cè)試儀需要控制一個(gè)噪聲源的加電和不加電狀態(tài)，對(duì)被測(cè)件（DUT）進(jìn)行測(cè)試。

　　噪聲系數(shù)測(cè)試儀，如AV3984噪聲系數(shù)分析儀，產(chǎn)生28VDC脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)噪聲源（AV16604），該噪聲源產(chǎn)生噪聲驅(qū)動(dòng)DUT．由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，DUT的噪聲系數(shù)可以在內(nèi)部計(jì)算和在屏幕上顯示。

　　使用噪聲系數(shù)測(cè)試儀是測(cè)量噪聲系數(shù)的最直接方法。測(cè)量人員可在特定的頻率范圍內(nèi)測(cè)量噪聲系數(shù)，通常噪聲分析儀在超低的噪聲測(cè)量中準(zhǔn)確度更高一些，當(dāng)測(cè)量很高的噪聲系數(shù)時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確。

　　3 增益法

　　目前噪聲系數(shù)的測(cè)量主要使用專(zhuān)用的噪聲系數(shù)測(cè)試儀，但當(dāng)不具備這種專(zhuān)用設(shè)備或者所要求測(cè)試頻率范圍不在其范圍時(shí)，可以采用頻譜分析儀測(cè)量噪聲系數(shù)，即增益法，該方法對(duì)于頻率在所用頻譜儀頻率范圍內(nèi)的被測(cè)件都能進(jìn)行測(cè)量。

　　基于噪聲系數(shù)的定義可以得到一個(gè)測(cè)量公式 ：

　　式（3）中，Pout是已測(cè)的噪聲功率譜密度，-174 dBm/Hz是290°K（室溫）時(shí)環(huán)境噪聲的功率譜密度，BW是感興趣的頻率帶寬，Gain是系統(tǒng)的增益。式（3）中每個(gè)變量均為對(duì)數(shù)，為簡(jiǎn)化公式，我們可以直接測(cè)量輸出噪聲功率譜密度（dBm/Hz），這時(shí)式（3）變?yōu)椋?/p>

　　以接收機(jī)為例，測(cè)試原理如圖2所示。

　　圖2 增益法測(cè)試框圖

　　用信號(hào)源和頻譜儀測(cè)量出接收機(jī)的增益（在接收機(jī)能夠接收的電平范圍都可以，如 果感興趣的是接近接收機(jī)小信號(hào)時(shí)的噪聲系數(shù)，可以選擇接近靈敏度電平，比如小于- 100 dBm的信號(hào)強(qiáng)度）；為獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)的分辨帶寬（RBW）與視頻帶寬（VBW），使頻譜儀上的基底噪聲看起來(lái)比較干凈。視頻帶寬越小，頻譜儀上顯示的基底噪聲越小，Pout讀數(shù)越準(zhǔn)確。

　　只要頻譜分析儀允許，這種方法可以適用于任何頻率范圍。通常噪聲分析儀在超低的噪聲測(cè)量中準(zhǔn)確度更高一些。對(duì)于系統(tǒng)增益非常高、噪聲系數(shù)非常高的場(chǎng)合，這種方法也很準(zhǔn)確。最大的限制來(lái)自于頻譜儀的噪聲基底。

　　4 Y系數(shù)法

　　Y系數(shù)法是測(cè)量噪聲系數(shù)的一種典型方法。Y系數(shù)是指當(dāng)被測(cè)件（DUT）的輸入端處于2個(gè)不同的資用噪聲功率時(shí)，在DUT的輸出端得到的2個(gè)相應(yīng)的資用噪聲功率之比。噪聲源是Y系數(shù)法測(cè)量必不可少的設(shè)備，噪聲源是能產(chǎn)生2種不同噪聲功率的噪聲發(fā)生器，一般需要用DC脈沖電源驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)DC驅(qū)動(dòng)電壓供電時(shí)相當(dāng)于噪聲源開(kāi)，稱(chēng)為熱態(tài)，此時(shí)輸出大的噪聲功率；DC驅(qū)動(dòng)電源關(guān)閉時(shí)相當(dāng)于噪聲源關(guān)斷，稱(chēng)為冷態(tài)，此時(shí)輸出常溫下的噪聲功率。噪聲源的熱溫與冷溫的差值稱(chēng)為噪聲源的超噪比（ENR）。

　　測(cè)試原理如圖1所示，為了進(jìn)一步說(shuō)明其工作原理，下面導(dǎo)出它的工作方程。

　　當(dāng)噪聲源轉(zhuǎn)移到噪聲溫度T0時(shí)，DUT的輸出功率Pn為：

　　式（5）中，k為波爾茲曼常數(shù)，1.38*10- 23J/K，B為帶寬（Hz），G為增益，Te為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)等效輸入噪聲溫度（K）。同理，當(dāng)噪聲源轉(zhuǎn)移到噪聲溫度Tn時(shí)，DUT的輸出噪聲功率Pn為：

　　設(shè)噪聲系數(shù)測(cè)試儀的增 益為C，則在上述兩種情況下，噪聲系數(shù)測(cè)試儀所檢測(cè)到的功率分別為CP0和CPn即：

　　對(duì)式（3）和式（4）聯(lián)立求解 Te并表示為F，即可得到：

　　式中，ENR是噪聲源的超噪比（dB）， Y=CPn/CP0，功率比值，通常稱(chēng)為Y系數(shù)，F(xiàn)是噪聲系數(shù)（dB）。

　　圖3所示為Y系數(shù)量值發(fā)生器的組成原理圖。

　　圖3 Y系數(shù)發(fā)生器原理圖

　　首先使噪聲源工作在噪聲溫度T0（冷態(tài)），射頻衰減器置于0（dB），標(biāo)準(zhǔn)衰減器置于A0（dB），并使指示器指示在某一位置；然后，噪聲源工作在噪聲溫度Tn（熱態(tài)），調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)衰減器使指示器的指示回到原來(lái)位置。設(shè)此時(shí)的衰減讀數(shù)為An，那么A = An - A0（dB），可以得到Y(jié)系數(shù)的表達(dá)式為：

　　Y系數(shù)法適用于大范圍噪聲系數(shù)的測(cè)量，簡(jiǎn)單易行并且準(zhǔn)確度高，只需要知道噪聲源的ENR，并測(cè)量出噪聲源冷、熱2個(gè)狀態(tài)下的輸出噪聲功率，不用測(cè)量DUT的增益，因此在對(duì)噪聲系數(shù)準(zhǔn)確度做檢定時(shí)采用此方法。

　　5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　將式（10）給出的Y系數(shù)代人式（9），就復(fù)現(xiàn)了噪聲系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值Fs，結(jié)果如表1所示。

　　我們選用AV3984型微波噪聲系數(shù)分析儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其工作頻率為10 MHz～26．5 GHz，實(shí)驗(yàn)框圖如圖4所示。

　　圖4 實(shí)驗(yàn)框圖

　　依據(jù)圖4所示連接實(shí)驗(yàn)儀器，AV3984的噪聲系數(shù)性能指標(biāo)為±0．25 dB，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

　　實(shí)驗(yàn)中使用標(biāo)準(zhǔn)衰減器，通過(guò)記錄噪聲系數(shù)分析儀的Phot值，代入下列公式計(jì)算，得出噪聲系數(shù)測(cè)量值：

　　結(jié)果表明，數(shù)據(jù)的最大偏差在0．25 dB內(nèi)。Y系數(shù)法能測(cè)量很大的噪聲系數(shù)范圍，適用于任何頻段，不受增益限制，準(zhǔn)確度更高。

　　實(shí)驗(yàn)中使用智能噪聲源，超噪比表可以自動(dòng)從噪聲源內(nèi)上載到噪聲系數(shù)分析儀內(nèi)，也可以在需要的時(shí)候通過(guò)命令上載。對(duì)于需要手動(dòng)輸入超噪比表的噪聲源，在測(cè)量之前一定要確認(rèn)所使用的超噪比表與噪聲源是匹配的。

　　噪聲系數(shù)FS - Y系數(shù)值關(guān)系表

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文討論了測(cè)量接收機(jī)噪聲系數(shù)的三種方法，每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于特定的應(yīng)用。噪聲系數(shù)測(cè)試儀法最直接簡(jiǎn)單，在低噪聲測(cè)量中準(zhǔn)確度更高；增益法可用于所有頻段，尤其適合測(cè)量較高的噪聲系數(shù)，但受頻譜儀的基底噪聲限制；Y系數(shù)法適用于所有的系統(tǒng)噪聲系數(shù)測(cè)試，準(zhǔn)確度較高，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可看出數(shù)據(jù)的偏差較小，且不受增益限制。