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初步學習噪聲系數的三種測量方式

冬至子 ? 來源:IRF Workshop ? 作者:宇宙 ? 2023-04-25 10:16 ? 次閱讀

今天一起來初步學習噪聲系數的三種測量方式:

Gain method

Y-factor method

Noise Figure Meter method

無線通信系統中,噪聲系數定義了噪聲性能及對接收機靈敏度的影響。之前也曾寫過噪聲系數的定義:

圖片

下面的表格為一些典型的射頻系統的噪聲系數:

圖片

對不同的應用,合適的測量方法有所不同。由上表可以看到,有些應用具有高增益低噪聲,如高增益模式下的低噪放;有些具有低增益和高噪聲,如混頻器和低增益模式下的低噪放;有些具有較寬范圍的噪聲,如接收機。對不同系統或單元,測量的方式需要仔細選擇,這邊就分別來討論噪聲儀法,增益法和Y因子法。

A. Noise Figure Meter method

測試架構如下圖:

圖片

噪聲儀,圖示如Agilent N8973A,產生一28V的直流脈沖信號來驅動一噪聲源HP346A/B 。噪聲源產生噪聲來驅動待測設備,待測設備的輸出端接入噪聲分析儀。由于已知輸入噪聲和噪聲源的信噪比,因而待測設備的噪聲可以被計算并顯示出來。對于特定的應用,如混頻器和接收機,可能還會需要一本振信號。同樣的,特定的參數需要在測量前在噪聲分析儀中設置好,如頻率范圍、放大器 or 混頻器模式。

使用噪聲儀可以最直接的測量噪聲系數,在大多數情況下也是最準確的。它可以測量一定頻帶內的噪聲,同時還可以顯示其帶內的增益。當然,使用噪聲儀也會有一定的限制,如Agilent N8973A 的工作帶寬僅限于10MHz到 3GHz。而且在測較高的噪聲系數時,如超過10dB時,結果會非常不準確。另外,這種方法成本很高。

B. Gain method

除了利用噪聲儀來直接測量之外還有其他方法可以測量噪聲系數。這些方法涉及到一些間接的測量,包括需要校準,但是在特定的情況下,它們會更加方便,更加準確。一種較受歡迎的方法是“增益法”,其原理是基于上面的噪聲系數的定義。通過公式推導,我們可以得到:

圖片

在測量噪聲之前,需要提前測量待測設備的增益。然后,在測試時待測設備的輸入端接特性阻抗50歐或75歐的負載,輸出噪聲功率由頻譜儀讀出。測試架構如下:

圖片

在頻譜儀上,要想獲得較穩定和準確的噪聲密度的讀數,分辨率帶寬RBW和視頻帶寬VBW的最優比為RBW/VBW = 0.3。只要頻譜儀可以滿足要求,增益法可以覆蓋任意頻段,其最大的限制是頻譜儀的噪底。當待測設備增益越高,測量結果會越準確。

C. Y-factor method

Y因子法也是一種常見的測試噪聲的方法,它需要一個ENR源,實際上就是上面提到的噪聲源。噪聲頭通常需要較高的直流電壓輸入,如HP346A/B需要28V的直流驅動。此外,其帶寬通常比較寬,如HP346A/B是10MHz-18GHz,在特定的頻率點都會有標準的噪聲系數,中間頻率點的噪聲通過插值獲得。測試架構如下:

圖片

通過控制直流驅動電壓的通斷,可以控制噪聲源的通斷。計算噪聲系數的公式如下:

圖片

其中,超噪比ENR值一般列在噪聲頭上,Y即為噪聲源通和斷時輸出噪聲功率密度之比。具體公式的推導和測試相關下次再專門寫一篇吧。

小結:理論上,對同樣的射頻器件測量結果應該是一致的,但是由于測量設備的限制,如準確性、頻帶范圍、噪底等等,我們需要仔細選擇最合適的方式來獲得正確的結果。文中討論的三種噪聲測試方法,每種都有其優點和缺點,匯總如下表。

圖片

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