噪声的意义及测量方法

1、噪声的定义

噪声系数是度量被测件（DUT）在射频信号通过时主要由于器件中的电子不规则热运动附加到信号上的杂乱信号，为了衡量这种恶化程度，引入噪声因子F（Noise Factor）和噪声系数NF（Noise Figure）的概念，也就是说噪声系数量化了DUT降低信号的信噪比的程度；

图1.1 有用信号经过DUT前后的信噪比变化

Noise Factor: F = SNR_IN/SNR_OUT

Noise Figure: FdB = 10lg(SNR_IN/SNR_OUT)

在射频收发链路中，通常接收机链路尤其关注噪声系数，因为这决定了接收机的灵敏度，噪声系数越低，接收灵敏度越高；从应用的角度讲，接收机噪声系数对雷达和军民用通信系统至关重要，高的NF是限制雷达最远探测距离的最主要因素；

2、噪声的测试原理

2.1 两种噪声测量方法

2.1.1 Y 因子法

Y因子法测量噪声系数需要设备包含频谱仪和标准ENR的噪声源，通过打开和关闭噪声源电源（28V DC）使其置冷和置热，从而测到两种状态下的总功率，从而算出DUT本身的噪声；

图2.1  Y因子法测量噪声原理图

图2.2  Y因子法测量噪声的计算方法

图2.3 连接示意图(a)校准步骤(b)测量步骤

进行测量的三个主要步骤

1). 校准测试设备的噪声系数；
2). DUT与设备级联并测量；
3). 计算噪声系数；

选择噪声源和频谱仪的几点注意：

1). 校准过程中要求打开和关闭噪声源之间的差异至少为3dB,因此我们必须选择ENR至少比频谱分析仪的噪声系数大3dB的噪声源，即：

ENR > NF_SA + 3dB

2).测量过程中要求打开和关闭噪声源之间的差异至少为5dB，因此我们必须选择ENR至少比DUT的噪声系数大5dB的噪声源，即：

ENR > NF_DUT + 5dB

3).为解决测量和校准步骤之间的差异提出的，要求校准和测量步骤之间的差异至小于为1dB，这可以通过选择频谱分析仪和前置放大器来实现，以使DUT的NF+增益至少比频谱分析仪的NF高1dB。

NF_DUT + Gain_DUT > NF_SA + 1dB

如果做到以上三点，Y因子法测到的NF数据才是可信的；

2.1.2 冷源法（增益法）

DUT的输出噪声绝对功率是DUT的增益对DUT的固有噪声进行放大后的结果，如果可以精确地测得放大器的增益，那么就可以从测量结果中把经放大的输入噪声扣除，由此就计算出噪声系数，因此测量DUT的增益测量至关重要，因此冷源法又称增益法。

冷源法是使用信号分析仪来测量DUT的增益和输出噪声绝对功率，如图2.4所示。

图2.4 使用冷源方法需要端接DUT的输入端

冷源法通常对高增益的LNA最为有效，因为对于明显高于信号源本底噪声的信号来说，信号分析仪能够有效的测量出来。

同Y因子法一样，冷源法需要校准表征仪器内部噪声接收机的噪声系数和增益，校准需要一个噪声源来完成，或者也可以使用功率计做扫频测量来确定接收机的有效噪声带宽。

图2.5 冷源法测噪声系数的计算方式

图2.5是输出噪声功率与输入噪声功率的关系图，可以单独测量DUT的增益而得到这条直线的斜率，然后只需进行一次功率测量就能确定这条直线和Y轴的交点，从而确定该直线在图中的位置，这样就可以推导出DUT的噪声系数。

图2.6矢网冷源法测量NF的系统框图

整个校准由三个步骤组成

1). 把噪声源连接到矢网端口2

测量冷热两种状态下的噪声功率
测量冷热两种状态下噪声源的匹配

2). 连接直通件(在端口1和端口2之间)

测量0、15、30 dB 三种设置状态下增益的差异
测量噪声接收机的负载匹配
测量用作阻抗调谐器的电子校准件的Γs

3). 连接电子校准件(在端口1和端口2之间)

测量常规S 参数的误差项
用电子校准件测量在不同Γs的条件下接收机的噪声功率(不使用调谐器)

3、总结

	应用场景	优点	缺点
Y因子法	宽带NF测量	无论增益如何，都能在任何频率下测量NF；	测量大噪声时，误差较大；
冷源法	高增益或高噪声DUT测量	操作简单，仪器设置简单； 适合任何频段DUT测试； 测量大噪声DUT非常准确；	受限于频谱仪的限制，无法测量低增益或低噪声DUT; 易受电压驻波比（VSWR）不确定性的影响；