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噪声系数测量手册Part1.噪声系数定义及测试方法安捷伦科技：顾宏亮一.噪声系数定义最常见的噪声系数定义是：输入信噪比/输出信噪比。它是衡量设备本身噪声品质的重要参数,它反映的是信号经过系统后信噪比恶化的程度。噪声系数是一个大于1的数，也就是说信号经过系统后信噪比是恶化了。噪声系数是射频电路的关键指标之一，它决定了接收机的灵敏度，影响着模拟通信系统的信噪比和数字通信系统的误码率。无线通信和卫星通信的快速发展对器件、子系统和系统的噪声性能要求越来越高。输入信噪比SNRinput=Pi/Ni输出信噪比SNRoutput=Po/No噪声系数F=SNRinput/SNRoutput通常用dB来表示NF=10Log(F)假设放大器是理想的线性网络，内部不产生任何噪声。那么对于该放大器来说,输出的功率Po以及输出的噪声No分别等于Pi*Gain以及Ni*Gain。这样噪声系数=(Pi/Ni)/(Po/No)=1。但是现实中，任何放大器的噪声功率输出不仅仅有输入端噪声的放大输出，还有内部自身的噪声(Na)输出，下图为线性双端口网络的图示。双端口网络噪声系数分析框图Vs:信号源电动势Rs:信号源内阻Ri:双端口网络输入阻抗RL:负载阻抗Ni:输入噪声功率Pi:输入信号功率No:输出噪声功率Po:输出信号功率Vn:该信号源内阻Rs的等效噪声电压Ro:双端口网络输出阻抗输出噪声功率:No=Ni*Gain+Na;Po=Pi*Gain噪声系数=(Pi*No)/(Ni*Po)=(Ni*Gain+Na)/(Ni*Gain)=1+Na/(Ni*Gain)1根据IEEE的噪声系数定义:Thenoisefactor,ataspecifiedinputfrequency,isdefinedastheratioof(1)thetotalnoisepowerperunitbandwidthavailableattheoutputportwhennoisetemperatureoftheinputterminationisstandard(290K)to(2)thatportionof(1)engenderedattheinputfrequencybytheinputtermination.”a.输入噪声被定义成负载在温度为290K下产生的噪声。b.输入噪声功率为资用功率，也就是该负载(termination)能产生的最大功率。c.假定了被测件和负载阻抗互为共轭关系.如果被测件是放大器，并且噪声源阻抗为50ohm,那么假定了该放大器的输入阻抗为50ohm。综合上述的结论，我们可以这样理解噪声系数的定义:当输入噪声功率为290K温度下的负载所产生的最大功率情况下，输入信噪比和输出信噪比的比值。资用功率指的是信号源能输出的最大功率,也可以称为额定功率。信号源输出框图只有当源的内阻和负载相等(复数互为共轭),源输出最大功率.Pavailable=[VS/(RS+RL)]2*RL当RS=RL时候Pavailable=VS2/(4*RS)由此可见，资用功率是源的本身参数，它只和内阻以及电动势有关,和负载没有关系。那如果输入是一个负载的噪声，该噪声大小是如何计算的呢？根据噪声系数的定义，输入端的噪声是温度为290K的电阻所产生的热噪声功率，我们假定电阻为R,那么根据JBJohson以及Nyquist对噪声功率的推导可得电阻产生的噪声资用功率为功率为:Ni=e2/(4*R)e2=4KTBRK=玻尔兹曼常数(1.3806505*10-23J/K)T=开尔文温度(K)B=带宽(Hz)因此输入端额定的噪声功率Ni=4KTBR/4R=KTB。由上述可知，无论信号源的内阻大小如何，它所产生的额定噪声功率都是相同的。它的大小只和该电阻所处的温度以及带宽有关。当T=T0=290K时，Ni=KT0B。噪声温度:通常为了简化计算可以使用噪声温度来表示噪声功率。它等于一个电阻在与这个噪声源相同的带宽内输出相同的功率时所具有的绝对温度。因此放大器的内部自身噪声输出Na可以等效为当输入端为TE温度的电阻时的输出噪声Na=KTEBG。线性双端口网络噪声这样噪声系数可以简化为:NF=1+Na/(Ni*Gain)=1+KTEBGain/KT0BGain=1+TE/T0NF=1+TE/T0可推得TE=T0(NF-1)NF(dB)=10Log(1+TE/T0)其中T0=290K对于下图的级联噪声系数噪声系数级联框图很容易证明级联以后的噪声系数为:NF=NF1+(NF2-1)/G1对于n级的系统，可以证明噪声系数为:NF(1..n)=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/G1G2+(NF4-1)/G1G2G3……(NFn-1)/G1G2G3..Gn二.噪声系数测试方法噪声系数的精确测量对于产品的研发和制造都非常关键。在研发领域，高测试精度可以保证设计仿真和真实测量之间的可复验性很高，并有助于发现在仿真过程中未予以考虑的噪声来源。在生产和制造领域，更高的测试精度意味着在设定和验证器件的技术指标时可以把指标的余量设定得更小。在噪声系数的测量过程中，必须在器件的线性区进行。如果被测件是放大器并且带有自动增益控制，那么必须关闭AGC功能。2.1Y系数法在Y系数测试方法中，需要用到的仪表为噪声系数分析仪或者是频谱分析仪带有噪声系数选件,另外还需要一个噪声源。通常噪声源采用雪崩二极管制作而成，可以在一定的频带内产生冷态噪声以及热态噪声，分别称之为TC以及TH。放大器噪声系数测量框图当噪声源产生TC的噪声时候，放大器总得输出噪声为TC+TE当噪声源产生TH的噪声时候，放大器总得输出噪声为TH+TEY=(TH+TE)/(TC+TE)加上TE=T0(NF-1)联立方程式后可以解得NF=[(TH-T0)+(T0-TC)Y]/[(Y-1)*T0]对于噪声源来说TC=T0=290K,因此NF可以简化为NF=(TH-T0)/[(Y-1)*T0]求对数后得到NF(dB)=10Log[(TH-T0)/T0]-10Log(Y-1)其中Log[(TH-T0)/T0]称之为噪声源的超噪比ENR(ExcessiveNoiseRation),单位为dB。NF(dB)=ENR-10Log(Y-1)这个结果NF并不是真正的放大器的噪声系数，而是放大器以及测量仪表的噪声系数，根据噪声系数级联运算可以知道Fmeas=FDUT+(FNFA–1)/GDUT放大器噪声系数测量框图因此只要知道GDUT以及FNFA就可以算得FDUT，首先来看FNFA如何获得。在测量之前，都需要对仪表进行校准，如下图所示Y系数法校准框图在校准时候，只需要将噪声源直接连接到仪表。在这个过程中，仪表会测量自身的噪声系数，并且会在不同的仪表前端输入衰减器下进行测量。因为在测量的时候，针对不同增益的放大器需要仪表选择不同的前端衰减器。当改变了仪表的前端衰减器后，仪表自身的噪声系数FNFA也会相应的变化。所以在校准的过程中，仪表会在不同的衰减器下进行校准,你可以听到步进衰减器的切换声音。再来看看放大器的增益是如何获得的。我们知道在测量以及校准过程中，噪声源会输出冷态噪声以及热态噪声，如下图所示Y系数法校准以及测量框图在校准的时候，仪表在TC以及TH测量得到的噪声分别为:TC时候:NNFA+KTCBGNFA○1TH时候:NNFA+KTHBGNFA○2在测量的时候，仪表在TC以及TH测量得到的噪声分别为:TC时候:NNFA+NDUTGNFA+KTCBGNFAGDUT○3TH时候:NNFA+NDUTGNFA+KTHBGNFAGDUT○4其中NDUT用(○4–○3)/(○2-○1)=(KTHBGNFAGDUT-KTCBGNFAGDUT)/(KTHBGNFA-KTCBGNFA)=GDUT*(KTHBGNFA-KTCBGNFA)/(KTHBGNFA-KTCBGNFA)=GDUTAgilent支持Y系数法测量的仪表主要如下所示噪声系数测量频率范围增益不确定度噪声系数不确定度N897xA10MHz–3GHz/6.7GHz/26.5GHz±0.17dB±0.05dBN9030A10MHz–3.6GHz/8.4GHz/13.6GHz/26.5GHz/50GHz±0.10dB±0.02dBN9020A10MHz–3.6GHz/8.4GHz/13.6GHz/26.5GHz±0.10dB±0.02dBN9010A10MHz–3.6GHz/7GHz/13.6GHz/26.5GHz±0.15dB±0.03dBN9000A10MHz–3.0GHz/7.5GHz±0.20dB±0.05dB2.2直接测试法直接测试法就是根据噪声系数的定义直接进行测试NF(dB)=(Pi*No)/(Ni*Po)根据噪声系数定义Ni=KT0B=-174dBm/Hz,P0/Pi=Gain,N0为总的输出噪声NF(dB)=No(dBm/Hz)+174(dBm/Hz)-Gain因此在测量的时候只需要在放大器的输入端接上50ohm负载，利用频谱分析仪测量输出的噪声谱密度直接测试法框图噪声系数测量频率范围灵敏度灵敏度带前置放大器N9030A3.6GHz/8.4GHz/13.6GHz/26.5GHz/50GHz-157dBm@1GHz-157dBm@6GHz-153dBm@20GHz-145dBm@40GHz-142dBm@50GHz-166dBm@1GHz-163dBm@6GHz-163dBm@20GHz-156dBm@40GHz-150dBm@50GHzN9020A3.6GHz/8.4GHz/13.6GHz/26.5GHz-151dBm@1GHz-149dBm@6GHz-143dBm@20GHz-163dBm@1GHz-162dBm@6GHz-157dBm@20GHzE444xA6.7GHz/13.2GHz/26.5GHz/42.98GHz/50GHz-154dBm@1GHz-152dBm@6GHz-147dBm@20GHz-131dBm@40GHz-127dBm@50GHz-165dBm@1GHz-165dBm@6GHz-161dBm@20GHz-146dBm@40GHz-140dBm@50GHz2.3冷态噪声源法在使用Y系数法或者直接测试法中，都假设源是匹配的。但是事实上，噪声源的输出和放大器的输入都存在这失配，并且源端的失配会最终影响到测量的噪声系数。源阻抗对噪声系数的影响可以通过噪声参数来表征,那首先来看看什么是噪声参数。放大器的噪声参数是描述噪声系数vs源阻抗Γs发生变化的参量，在史密斯图上，噪声参数通常被画成一些等噪声系数的圆。在这个圆上，Γs虽然不同但是噪声系数是相同的。对任何一种放大器，在某个源阻抗值可以对应一个最小的噪声系数，我们把这个源阻抗的反射系数叫做Γopt。源阻抗偏离这个阻抗的值越远，放大器的噪声系数就会变得越大。放大器的噪声参数是晶体管内偏置电流以及放大器的工作频率有关的。其中Fmin最小噪声系数，Rn噪声电阻，Γs源反射系数，Γopt最佳源反射系数，Z0系统阻抗。噪声系数和源阻抗以及频率的关系噪声参数的概念直接关系到我们精确测量50ohm噪声系数的能力。当测量系统的源阻抗在50ohm附近改变的时候，Γs就会在靠近史密斯图圆心的几个噪声圆之间变来变去，所测量到的被测器件的噪声系数也会随之改变。下图显示的是一个超噪比ENR为15dB的噪声源在不加电状态下的输入匹配，虽然它的中心是在50ohm上，但是它的反射系数很明显是随着频率的变化而改变的。噪声源输出驻波因为放大器的噪声系数是和源阻抗相关的，不同的源阻抗下放大器的噪声系数会发生变化。因此在Y系数法或者直接测试法中，由于假定是在50ohm输入匹配下获得结果，测量结果的不确定度主要会来自于输入端的匹配。因此在测量结果中，会有很大的纹波，并且很难分辨这些纹波到底是来自于器件本身还是来自于放大器输入源失配。当使用一般的矢量网络分析仪用冷源法进行测量时，如果不采用对内部衰减器或源进行校准的技术的话，那么系统原始的源匹配通常也是比较差的。Agilent率先在业界推出了基于