图文细说：三种测量噪声系数的典型方法

在工程上定义噪声因子(F)为若线性两端口网络具有确定的输入端和输出端，且输入端源阻抗处于290。K(室温)时，网络输入端信号噪声功率比与网络输出端信号噪声功率比的比值。

其中， Si为输入信号功率，Ni为输入噪声功率，So 为输出信号功率，No为输出噪声功率，G为两端口网络增益，Na为两端口网络本身的噪声功率。

它明确地表明了由于网络产生噪声，使网络输入端信噪比经过该网络传输后信噪比恶化的倍数，也就是传输网络对其输出端总噪声功率贡献的大小。噪声系数(NF)为噪声因子的对数表达形式，定义如下：


1 噪声测试仪法

使用噪声测试仪是测量噪声系数最直接方法，在大多数情况下也是最准确的。工程师可在特定的频率范围内测量噪声系数。噪声测试仪能够同时显示增益和噪声系数来帮助测量。噪声测试仪的测试原理图如图1所示。

图1 噪声测试仪法原理图

噪声测试仪测 试噪声系数的核心是Y系数法。首先，噪声测试仪本身是一台接收机，可以用来测试输人的噪声功率；其次噪声测试仪需要控制一个噪声源的加电和不加电状态，对被测件(DUT)进行测试。

噪声系数测试仪，如AV3984噪声系数分析仪，产生28VDC脉冲信号驱动噪声源(AV16604)，该噪声源产生噪声驱动DUT．由于分析仪已知噪声源的输入噪声和信噪比，DUT的噪声系数可以在内部计算和在屏幕上显示。

使用噪声系数测试仪是测量噪声系数的最直接方法。测量人员可在特定的频率范围内测量噪声系数，通常噪声分析仪在超低的噪声测量中准确度更高一些，当测量很高的噪声系数时，测量结果会不准确。

2 增益法

目前噪声系数的测量主要使用专用的噪声系数测试仪，但当不具备这种专用设备或者所要求测试频率范围不在其范围时，可以采用频谱分析仪测量噪声系数，即增益法，该方法对于频率在所用频谱仪频率范围内的被测件都能进行测量。

基于噪声系数的定义可以得到一个测量公式 ：



式(3)中，Pout是已测的噪声功率谱密度，-174 dBm/Hz是290°K(室温)时环境噪声的功率谱密度，BW是感兴趣的频率带宽，Gain是系统的增益。式(3)中每个变量均为对数，为简化公式，我们可以直接测量输出噪声功率谱密度(dBm/Hz)，这时式(3)变为：


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以接收机为例，测试原理如图2所示。

图2 增益法测试框图

用信号源和频谱仪测量出接收机的增益(在接收机能够接收的电平范围都可以，如 果感兴趣的是接近接收机小信号时的噪声系数，可以选择接近灵敏度电平，比如小于- 100 dBm的信号强度)；为获得稳定和准确的噪声密度读数，选择最优的分辨带宽(RBW)与视频带宽(VBW)，使频谱仪上的基底噪声看起来比较干净。视频带宽越小，频谱仪上显示的基底噪声越小，Pout读数越准确。

只要频谱分析仪允许，这种方法可以适用于任何频率范围。通常噪声分析仪在超低的噪声测量中准确度更高一些。对于系统增益非常高、噪声系数非常高的场合，这种方法也很准确。最大的限制来自于频谱仪的噪声基底。

3 Y系数法

Y系数法是测量噪声系数的一种典型方法。Y系数是指当被测件(DUT)的输入端处于2个不同的资用噪声功率时，在DUT的输出端得到的2个相应的资用噪声功率之比。噪声源是Y系数法测量必不可少的设备，噪声源是能产生2种不同噪声功率的噪声发生器，一般需要用DC脉冲电源驱动电压，当DC驱动电压供电时相当于噪声源开，称为热态，此时输出大的噪声功率；DC驱动电源关闭时相当于噪声源关断，称为冷态，此时输出常温下的噪声功率。噪声源的热温与冷温的差值称为噪声源的超噪比(ENR)。

测试原理如图1所示，为了进一步说明其工作原理，下面导出它的工作方程。

当噪声源转移到噪声温度T0时，DUT的输出功率Pn为：



式(5)中，k为波尔兹曼常数，1.38*10- 23J/K，B为带宽(Hz)，G为增益，Te为被测网络等效输入噪声温度(K)。同理，当噪声源转移到噪声温度Tn时，DUT的输出噪声功率Pn为：



设噪声系数测试仪的增 益为C，则在上述两种情况下，噪声系数测试仪所检测到的功率分别为CP0和CPn即：



对式(3)和式(4)联立求解 Te并表示为F，即可得到：



式中，ENR是噪声源的超噪比(dB)， Y=CPn/CP0，功率比值，通常称为Y系数，F是噪声系数(dB)。

图3所示为Y系数量值发生器的组成原理图。

图3 Y系数发生器原理图

首先使噪声源工作在噪声温度T0(冷态)，射频衰减器置于0(dB)，标准衰减器置于A0(dB)，并使指示器指示在某一位置；然后，噪声源工作在噪声温度Tn(热态)，调整标准衰减器使指示器的指示回到原来位置。设此时的衰减读数为An，那么A = An - A0(dB)，可以得到Y系数的表达式为：


Y系数法适用于大范围噪声系数的测量，简单易行并且准确度高，只需要知道噪声源的ENR，并测量出噪声源冷、热2个状态下的输出噪声功率，不用测量DUT的增益，因此在对噪声系数准确度做检定时采用此方法。
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4 实验验证

将式(10)给出的Y系数代人式(9)，就复现了噪声系数标准值Fs，结果如表1所示。

我们选用AV3984型微波噪声系数分析仪进行实验，其工作频率为10 MHz～26．5 GHz，实验框图如图4所示。

图4 实验框图

依据图4所示连接实验仪器，AV3984的噪声系数性能指标为±0．25 dB，测试数据如表2所示。

实验中使用标准衰减器，通过记录噪声系数分析仪的Phot值，代入下列公式计算，得出噪声系数测量值：



结果表明，数据的最大偏差在0．25 dB内。Y系数法能测量很大的噪声系数范围，适用于任何频段，不受增益限制，准确度更高。

实验中使用智能噪声源，超噪比表可以自动从噪声源内上载到噪声系数分析仪内，也可以在需要的时候通过命令上载。对于需要手动输入超噪比表的噪声源，在测量之前一定要确认所使用的超噪比表与噪声源是匹配的。

噪声系数FS - Y系数值关系表