噪聲系數測量方法 - 全文
在無線通信系統中,噪聲系數(NF)或者相對應的噪聲因數(F)定義了噪聲性能和對接收機靈敏度的貢獻。本文詳細闡述這個重要的參數及其不同的測量方法。
噪聲因數和噪聲系數
噪聲系數有時也指噪聲因數。兩者簡單的關系為:
NF=10*log10(F)
定義噪聲系數(噪聲因數)包含了射頻系統噪聲性能的重要信息,標準的定義為:
?
從這個定義可以推導出很多常用的噪聲系數(噪聲因數)公式。
?
噪聲系數的測量方法隨應用的不同而不同。從表1可看出,一些應用具有高增益和低噪聲系數(低噪聲放大器(LNA)在高增益模式下),一些則具有低增益和高噪聲系數(混頻器和LNA在低增益模式下),一些則具有非常高的增益和寬范圍的噪聲系數(接收機系統)。因此測量方法必須仔細選擇。本文中將討論噪聲系數測試儀法和其他兩個方法:增益法和Y系數法。
使用噪聲系數測試儀
噪聲系數測試/分析儀在圖1種給出。
?
圖1。
噪聲系數測試儀,如Agilent公司的N8?73A噪聲系數分析儀,產生28V DC脈沖信號驅動噪聲源(HP346A/B),該噪聲源產生噪聲驅動待測器件(DUT)。使用噪聲系數分析儀測量待測器件的輸出。由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比,DUT的噪聲系數可以在內部計算和在屏幕上顯示。對于某些應用(混頻器和接收機),可能需要本振(LO)信號,如圖1所示。當然,測量之前必須在噪聲系數測試儀中設置某些參數,如頻率范圍、應用(放大器/混頻器)等。
使用噪聲系數測試儀是測量噪聲系數的最直接方法。在大多數情況下也是最準確地。工程師可在特定的頻率范圍內測量噪聲系數,分析儀能夠同時顯示增益和噪聲系數幫助測量。分析儀具有頻率限制。例如,AgilentN8?73A可工作頻率為10MHz至3GHz。當測量很高的噪聲系數時,例如噪聲系數超過10dB,測量結果非常不準確。這種方法需要非常昂貴的設備。
增益法
前面提到,除了直接使用噪聲系數測試儀外還可以采用其他方法測量噪聲系數。這些方法需要更多測量和計算,但是在某種條件下,這些方法更加方便和準確。其中一個常用的方法叫做“增益法”,它是基于前面給出的噪聲因數的定義:
?
在這個定義中,噪聲由兩個因素產生。一個是到達射頻系統輸入的干擾,與需要的有用信號不同。第二個是由于射頻系統載波的隨機擾動(LNA,混頻器和接收機等)。第二種情況是布朗運動的結果,應用于任何電子器件中的熱平衡,器件的可利用的噪聲功率為:
PNA=kTΔF
這里的k等于波爾茲曼常量(1.38*10-23焦耳/ΔK),T為溫度,單位為開爾文,ΔF=噪聲帶寬(Hz)。在室溫(290ΔK)時,噪聲功率譜密度PNAD-174dBm/Hz.因而我們有以下的公式:
NF=PNOUT-(-174dBm/Hz+20*log10(BW)+Gain)
在公式中,PPNOUT是已測的總共輸出噪聲功率,-174dBm/Hz是290°K時環境噪聲的功率譜密度。BW 是感興趣的頻率帶寬。Gain是系統的增益。NF是DUT的噪聲系數。公式中的每個變量均為對數。為簡化公式,我們可以直接測量輸出噪聲功率譜密度 (dBm/Hz),這時公式變為:
NF=PNOUTD+174dBm/Hz-Gain
為了使用增益法測量噪聲系數,DUT的增益需要預先確定的。DUT的輸入需要端接特性阻抗(射頻應用為50Ω,視頻/電纜應用為75Ω)。輸出噪聲功率譜密度可使用頻譜分析儀測量。
增益法測量的裝置見圖2。
?
圖2。
作為一個例子,我們測量MAX2700噪聲系數的。在指定的LNA增益設置和VPAGC下測量得到的增益為80dB。接著,如上圖裝置儀器,射頻輸入用50Ω負載端接。在頻譜儀上讀出輸出噪聲功率譜密度為-90dBm/Hz。為獲得穩定和準確的噪聲密度讀數,選擇最優的解析帶寬(RBW)與視頻帶寬(VBW)為RBW/VBW=0.3。計算得到的NF為:
-90dBm/Hz+174dBm/Hz-80dB=4.0dB
只要頻譜分析儀允許,增益法可適用于任何頻率范圍內。最大的限制來自于頻譜分析儀的噪聲基底。在公式中可以看到,當噪聲系數較低(小于10dB)時,(PNOUTD-Gain) 接近于-170dBm/Hz,通常LNA的增益約為20dB。這樣我們需要測量-150dBm/Hz的噪聲功率譜密度,這個值低于大多數頻譜儀的噪聲基底。在我們的例子中,系統增益非常高,因而大多數頻譜儀均可準確測量噪聲系數。類似地,如果DUT的噪聲系數非常高(比如高于30dB),這個方法也非常準確。
Y因數法
Y因數法是另外一種常用的測量噪聲系數的方法。為了使用Y因數法,需要ENR(冗余噪聲比)源。這和前面噪聲系數測試儀部分提到的噪聲源是同一個東西。裝置圖見圖3。
?
圖3。
ENR頭通常需要高電壓的DC電源。比如HP346A/B噪聲源需要28伏DC。這些ENR頭能夠工作在非常寬的頻段(例如HP346A/B為 10MHz至18GHz),在特定的頻率上本身具有標準的噪聲系數參數。表2給出具體的數值。在標識之間的頻率上的噪聲系數可通過外推法得到。
?
開啟或者關閉噪聲源(通過開關DC電壓),工程師可使用頻譜分析儀測量輸出噪聲功率譜密度的變化。計算噪聲系數的公式為:
?
在這個式子中,ENR為上表給出的值。通常ENR頭的NF值會列出。Y是輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關閉時的差值。這個公式可從以下得到。
ENR噪聲頭提供兩個噪聲溫度的噪聲源:熱溫度時T=TH(直流電壓加電時)和冷溫度T=290°K。ENR噪聲頭的定義為:
?
冗余噪聲通過給噪聲二極管加偏置得到?,F在考慮在冷溫度T=290°K時與在熱溫度T=TH時放大器(DUT)功率輸出比:
Y=G(Th+Tn)/G(290+Tn)=(Th/290+Tn/290)/(1+Tn/290)
這就是Y因數法,名字來源于上面的式子。
根據噪聲系數定義,F=Tn/290+1,F是噪聲因數(NF=10*log(F)),因而Y=ENR/F+1。在這個公式中,所有變量均是線性關系,從這個式子可得到上面的噪聲系數公式。
我們再次使用MAX2700作為例子演示如何使用Y因數法測量噪聲系數。裝置圖見圖3。連接HP346AENR到RF的輸入。連接28V直流電壓到噪聲源頭。我們可以在頻譜儀上監視輸出噪聲功率譜密度。開/關直流電源,噪聲譜密度從-90dBm/Hz變到-87dBm/Hz。所以 Y=3dB。為了獲得穩定和準確的噪聲功率譜密度讀數,RBW/VBW設置為0.3。從表2得到,在2GHz時ENR=5.28dB,因而我們可以計算 NF的值為5.3dB。
本文小結
本文討論了測量射頻器件噪聲系數的三種方法。每種方法都有其優缺點,適用于特定的應用。表3是三種方法優缺點的總結。理論上,同一個射頻器件的測量結果應該一樣,但是由于射頻設備的限制(可用性、精度、頻率范圍、噪聲基底等),必須選擇最佳的方法以獲得正確的結果。
非常好我支持^.^
(3) 100%
不好我反對
(0) 0%
相關閱讀:
- [電子說] 一鍵式影像測量儀能測出什么? 2023-10-24
- [電子說] 一種用于高精度測量應用的低功耗模數轉換器(ADC)解決方案 2023-10-24
- [電子說] 維修信號發生器N5182A校準不過 2023-10-24
- [電子說] 熱電偶和冷端溫度測量簡介 2023-10-24
- [電子說] 工業火炬排放氣流量計量的3種流量計 2023-10-24
- [電子說] 單軸/雙軸傾角傳感器的區別 2023-10-24
- [電子說] 大型吸糧機料斗傾斜角度測量,選這款傳感器 2023-10-24
- [電子說] 如何精確地測量S參數 2023-10-24
( 發表人:Spring )