噪聲系數(shù)的含義和測量方法

噪聲系數(shù)的含義

噪聲系數(shù)是用來描述一個系統(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)計人員總是在盡最大努力使整個系統(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頻率上的輸入信號變換為另外一個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，如果這個放大器是一個很理想的器件的話，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，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。可是在實際測量中，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，我們也會看到各種校準(zhǔn)和測量方法是怎么克服因為不是很完美的 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。因為在某個給定的帶寬內(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。任何一個實際器件的噪聲系數(shù)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，它是與一個 (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，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算時，Te 也是一個很有用的參數(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候，噪聲源對于被測器件來說所呈現(xiàn)的是一個溫度為室溫的負(fù)載。當(dāng)二極管被反向偏置的時候，它所產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)會產(chǎn)生一個超過負(fù)載在室溫環(huán)境下所產(chǎn)生的噪聲的電噪聲，這個額外產(chǎn)生的噪聲的量被表征為“超噪比”(即 ENR)。對于一個給定的噪聲源，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噪聲功率的測量結(jié)果，然后，這兩個測量結(jié)果的比值 — 被稱之為 Y 因子 — 可以用來計算噪聲系數(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) 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，因為這可以使我們在測量放大器或變頻器時，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)等多項指標(biāo)的測試。