在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，噪聲系數(shù)是評估射頻接收機(jī)性能的重要參數(shù)之一。本文將深入探討噪聲系數(shù)的概念、測量方法以及不同應(yīng)用場景下的適用性，以幫助讀者更好地理解和應(yīng)用這一關(guān)鍵參數(shù)。 01 噪聲系數(shù)與噪聲因子

在衡量射頻接收機(jī)性能時(shí)，噪聲系數(shù)（NF）、噪聲因子（F）和等效噪聲溫度等參數(shù)起到關(guān)鍵作用。噪聲系數(shù)越低，性能越佳。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員常致力于在信噪比（SNR）最優(yōu)的條件下優(yōu)化系統(tǒng)。噪聲系數(shù)（NF）與噪聲因子（F）之間的關(guān)系簡潔而明了。

以放大器為例，放大器輸出信號的噪聲功率相對于輸入信號的噪聲功率，與放大器增益有關(guān)。一般來說，輸出端口的信噪比會比輸入端口低，即噪聲因子F要大于1，或者噪聲系數(shù)NF大于0 dB。當(dāng)放大器噪聲系數(shù)小于1 dB時(shí)，可以用等效噪聲溫度Te來描述其性能。

噪聲系數(shù)與噪聲溫度關(guān)系

02 噪聲來源

1）熱噪聲（白噪聲）：是宇宙中一切物質(zhì)的隨機(jī)運(yùn)動所產(chǎn)生的，它在任何電子設(shè)備中均存在。熱噪聲的產(chǎn)生與布朗運(yùn)動相關(guān)，其噪聲功率可以用數(shù)學(xué)公式表示。

其中波爾茲曼常數(shù)k、溫度T和噪聲帶寬ΔF是關(guān)鍵參數(shù)。電子元件的熱噪聲會呈現(xiàn)出電壓和電流的隨機(jī)波動，統(tǒng)計(jì)分布接近高斯分布。

2）散粒噪聲：是由離散的電子組成的電流產(chǎn)生的，每個(gè)電子攜帶固定的電荷。電流并不是連續(xù)的，而是由單個(gè)電子到達(dá)的時(shí)間上的變化所引起的，稱為散粒噪聲。散粒噪聲的噪聲功率與電流成正比，其有效電流均值可用簡潔的公式表示。

3）1/f噪聲：也稱為閃爍噪聲，是一種隨頻率呈現(xiàn)遞減趨勢的噪聲。它在多種系統(tǒng)中都能觀察到，變化趨勢近似于1/f。這種噪聲通常出現(xiàn)在低頻范圍，隨著頻率增加，噪聲幅度減小。

下圖顯示了在290K溫度下，從頻率為1Hz到100000GHz的電子元件噪聲的功率譜密度。低頻顯示1/f噪聲，在其功率譜密度占主導(dǎo)地位。非常高的頻率包括量子效應(yīng)。在大多數(shù)電子設(shè)備工作的頻率上，噪聲一般是平坦的白噪聲。

4）互調(diào)失真噪聲：在射頻電路中，當(dāng)不同頻率的信號通過非線性元件（如放大器）時(shí)，它們之間可能會相互干擾，導(dǎo)致互調(diào)失真。這會在輸出中產(chǎn)生新的頻率成分，引入額外的噪聲。 5）雜散響應(yīng)噪聲：當(dāng)射頻系統(tǒng)中的信號受到非線性元件（如混頻器）的影響時(shí)，可能會在頻譜中產(chǎn)生不期望的附加頻率成分，導(dǎo)致雜散響應(yīng)噪聲。 此外，阻抗不連續(xù)也會引起噪聲系數(shù)增加或降低，當(dāng)信號在阻抗不連續(xù)處反射或散射時(shí)，會引入附加的噪聲。這些附加的噪聲會疊加到原始信號中，使噪聲系數(shù)產(chǎn)生變化。

03 級聯(lián)噪聲系數(shù)計(jì)算

在多級級聯(lián)時(shí)，級聯(lián)的增益會影響噪聲系數(shù)的計(jì)算：

對于負(fù)增益的DUT的噪聲系數(shù)通常等于其衰減量值，即 G1=1/F1，級聯(lián)的噪聲系數(shù)大于級噪聲系數(shù)：

級聯(lián)的等效噪聲溫度為：

在級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要取決于第一級的噪聲系數(shù)，因?yàn)楹竺娴木W(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)影響逐漸減小。 04 噪聲測試方法介紹

噪聲系數(shù)儀法：噪聲系數(shù)儀/分析儀的使用示例如下圖所示。

測量過程如下： 1）噪聲源（Noise Source）產(chǎn)生噪聲信號，通過電源提供電壓。 2）噪聲信號驅(qū)動被測設(shè)備（DUT）。 3）分析儀測量DUT輸出信號的噪聲功率密度和信號功率。 4）噪聲系數(shù)儀內(nèi)部計(jì)算出噪聲系數(shù)，同時(shí)顯示系統(tǒng)增益。

然而，該方法有一些局限，如頻率范圍限制和高噪聲系數(shù)下的測量不準(zhǔn)確性。并且這種方法需要非常昂貴的設(shè)備。

增益法：增益法在某些條件下，更方便且更準(zhǔn)確，其基于前面給出的噪聲因子定義：

在這個(gè)定義中，噪聲由兩種方面產(chǎn)生：第一種是以信號的形式傳入射頻系統(tǒng)輸入的干擾，這些干擾信號與所需信號不同；第二種是由射頻系統(tǒng)中載波的隨機(jī)波動產(chǎn)生。如下圖所示。

在室溫（290ΔK）下，噪聲功率密度為

代入噪聲系數(shù)公式，可以得到：

其中，PNOUT是測得的總輸出噪聲功率，BW是目標(biāo)頻率帶寬，Gain是系統(tǒng)增益，NF是DUT的噪聲系數(shù)。我們可以直接測量輸出噪聲功率密度（以dBm/Hz為單位），公式變?yōu)椋?/p>

要使用“增益法”測量噪聲系數(shù)，需要預(yù)先確定DUT的增益。然后，將DUT的輸入端接特征阻抗線（大多數(shù)射頻應(yīng)用為50Ω，視頻/電纜應(yīng)用為75Ω）。然后，使用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率密度。 增益法的連接關(guān)系如下圖所示：

假設(shè)測得增益為80dB，讀取輸出噪聲密度為-90dBm/Hz，為了獲得穩(wěn)定準(zhǔn)確的噪聲密度讀數(shù)，RBW（分辨帶寬）和VBW（視頻帶寬）的最佳比例為RBW/VBW = 0.3。可以計(jì)算出NF為： -90dBm/Hz + 174dBm/Hz - 80dB = 4.0dB。

“增益法”可以覆蓋頻譜儀可以測得的任何頻率范圍。最大的限制為來自頻譜分析儀的噪聲基底。當(dāng)噪聲系數(shù)很低（小于10dB時(shí)），（POUTD - Gain）接近于-170dBm/Hz。正常的LNA增益約為20dB，這樣我們需要測量-150dBm/Hz的噪聲功率譜密度，這個(gè)值低于大多數(shù)頻譜儀的噪聲基底。當(dāng)系統(tǒng)增益非常高，大多數(shù)頻譜分析儀可以準(zhǔn)確測量噪聲系數(shù)。同樣，如果DUT的噪聲系數(shù)非常高（例如超過30dB），這種方法也可以非常準(zhǔn)確。

Y因數(shù)法：Y因數(shù)法是測量噪聲系數(shù)的另一種常見方法。使用Y因數(shù)法時(shí)，需要使用超噪比（ENR）噪聲源，其連接關(guān)系如下圖所示：

ENR源通常需要高DC電壓供電。這些ENR源能夠工作在很寬的頻段，并且在指定頻率下具有標(biāo)準(zhǔn)噪聲系數(shù)參數(shù)。對于小增益甚至負(fù)增益的DUT，且噪聲系數(shù)大于20dB時(shí)，需要噪聲源的ENR遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)噪聲源。

如上圖所示，通過打開和關(guān)閉噪聲源，可以使用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率密度的變化。計(jì)算噪聲系數(shù)的公式為：

其中，ENR是噪聲源輸出噪聲系數(shù)值。Y是輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關(guān)閉時(shí)的差值。 假設(shè)通過關(guān)閉然后重新打開DC電源，噪聲密度從-90dBm/Hz增加到-87dBm/Hz，Y = 3dB。ENR = 5.28dB。可以計(jì)算出NF為5.3dB。 總結(jié)三種測試方式差異如下圖所示：

05 總結(jié) 噪聲在電子系統(tǒng)中普遍存在，尤其在射頻和微波接收器中具有重要影響。了解噪聲及其測量、建模和解釋對系統(tǒng)的影響至關(guān)重要。本文介紹了測量射頻設(shè)備噪聲系數(shù)的三種方法，每種方法在特定應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢。

審核編輯：彭菁