我們今天的目的之一是讓您能夠更好地理解在噪聲系數(shù)測量中的測量精度問題，測量精度無論是對產(chǎn)品研發(fā)還是對產(chǎn)品生產(chǎn)都是很重要的。

精確測量噪聲系數(shù)的重要性

在產(chǎn)品研發(fā)過程中，更高的噪聲系數(shù)測量精度不僅意味著在產(chǎn)品的仿真和測量結(jié)果之間可以有更好的相關(guān)性，有助于設(shè)計人員更快地把電路模型精細化，它還意味著系統(tǒng)設(shè)計人員可以對諸如雷達之類的發(fā)射/接收系統(tǒng)的性能進行更好的優(yōu)化。當把系統(tǒng)的性能指標分解成系統(tǒng)所有各個部件的性能指標時，系統(tǒng)設(shè)計人員必須要根據(jù)測量精度給每個器件的指標增加防護頻帶，器件的設(shè)計人員也會據(jù)此對其器件進行性能驗證。具體說到噪聲系數(shù)，改善的測量精度和更小的防護頻帶意味著 LNA 可以有更好的技術(shù)指標，進而達到使用較小功率的發(fā)射放大器就能夠獲得同樣的系統(tǒng)總體 SNR 的目的。由此可以使用更小、更輕、更便宜的發(fā)射機，這對于機載和星載應(yīng)用是極為重要的。

在產(chǎn)品的生產(chǎn)測試中，改善的測量精度還可以允許使用較小的防護頻帶，這樣可以在多個測試站的測量結(jié)果中取得更好的相關(guān)性，這意味著需要返工的產(chǎn)品越來越少，良率和吞吐量都大有提高，測試成本也進一步下降。更小的防護頻帶還可以讓產(chǎn)品的技術(shù)指標更出色、更具競爭性，從而可以以更高的價格銷售或是占據(jù)更多的市場份額。

噪聲系數(shù)概述

什么是噪聲系數(shù) ?

噪聲系數(shù)是用來描述一個系統(tǒng)中出現(xiàn)的過多的噪聲量的品質(zhì)因數(shù)。把噪聲系數(shù)降低到最小的程度可以減小噪聲對系統(tǒng)造成的影響。在日常生活中，我們可以看到噪聲會降低電視畫面的質(zhì)量，也會使無線通信的話音質(zhì)量變差；在諸如雷達等的軍用設(shè)備中，噪聲會限制系統(tǒng)的有效作用范圍；在數(shù)字通信系統(tǒng)中，噪聲則會增加系統(tǒng)的比特誤碼率。系統(tǒng)設(shè)計人員總是在盡最大努力使整個系統(tǒng)的信噪比 (SNR) 達到最優(yōu)，為了達到這個目的，可以用把信號提高的辦法，也可以用把噪聲降低的辦法。在像雷達這樣的發(fā)射/接收系統(tǒng)中，提高信噪比的一種方法是用更大的大功率放大器來提高發(fā)射信號的功率，或使用大口徑天線。降低在發(fā)射機和接收機之間信號傳輸路徑上的損耗也可以提高 SNR，但是信號在傳輸路徑上的損耗大都是由工作環(huán)境所決定的，系統(tǒng)設(shè)計人員控制不了這方面的因素。還可以通過降低由接收機產(chǎn)生的噪聲來提高 SNR－通常這都是由接收機前端的低噪聲放大器 (LNA) 的質(zhì)量決定的。與使用提高發(fā)射機功率的方法相比，降低接收機的噪聲 (以及讓接收機的噪聲系數(shù)的指標更好) 的方法會更容易和經(jīng)濟一些。

噪聲系數(shù)的定義是很簡單和直觀的。網(wǎng)絡(luò)的噪聲因子 (F) 的定義是輸入信號的 SNR 除以輸出信號的 SNR:

F = (Si/Ni)/(So/No)，式中:

Si = 輸入信號的功率

So = 輸出信號的功率

Ni = 輸入噪聲功率

No = 輸出噪聲功率

把噪聲因子用分貝 (dB) 來表示就是噪聲系數(shù) (NF): NF = 10*log (F)

這個對噪聲系數(shù)的定義對任何電子網(wǎng)絡(luò)都是正確的，包括那些可以把輸入信號的頻率變換為另外一個輸出頻率的電子網(wǎng)絡(luò)，例如上變頻器或下變頻器。

為了更好地理解噪聲系數(shù)的定義，我們以放大器為例。放大器的輸出信號的功率等于放大器輸入信號的功率乘以放大器的增益，如果這個放大器是一個很理想的器件的話，其輸出端口上噪聲信號的功率也應(yīng)該等于輸入端口上噪聲信號的功率乘以放大器的增益，結(jié)果是在放大器的輸入端口和輸出端口上信號的 SNR 是相同的。然而，實際情況是任何放大器輸出信號的噪聲功率都比輸入信號的噪聲功率乘以放大器的增益所得到的結(jié)果大，也就是說輸出端口上的 SNR 要比輸入端口上的 SNR 小，即噪聲因子 F 要大于 1，或者說噪聲系數(shù) NF 要大于 0 dB。

在測量并比較噪聲系數(shù)時，必須要注意的是我們在測量過程中是假定測試系統(tǒng)能夠在被測器件 (DUT) 的輸入端口和輸出端口上提供非常完美的 50 Ω 端接負載。但在實際測量中，這樣完美的條件永遠不會存在。稍后我們會討論如果測試系統(tǒng)沒有完美的 50 Ω，系統(tǒng)會對噪聲系數(shù)的測量精度造成怎樣的影響。同時，我們也會講解各種校準和測量方法如何校正由于不理想的 50 Ω 源匹配引起的誤差。

另一種用來表達由放大器或系統(tǒng)引入的附加噪聲的術(shù)語是有效輸入溫度 (Te)。為了理解這個參數(shù)，我們需要先看一下無源端接所產(chǎn)生的噪聲量的表達方式－kTB，其中 k 是玻爾茲曼常數(shù)，T 是以開爾文為單位的端接溫度，B 是系統(tǒng)帶寬。因為在某個給定的帶寬內(nèi)，器件產(chǎn)生的噪聲和溫度是成正比的，所以，器件所產(chǎn)生的噪聲量可以表示為帶寬歸一化為 1 Hz 的等效噪聲溫度。例如，一個超噪比 (ENR) 為 15 dB 的商用噪聲源所產(chǎn)生的電噪聲等效于溫度為 8880 K 的負載端接。任何一個實際器件的噪聲系數(shù)都可以表示為一個有效輸入噪聲溫度。顯然 Te 不是放大器或變頻器的實際物理溫度，它是輸入端接與一個噪聲為零的理想器件相連時的等效溫度 (單位為開爾文)，該器件在輸出端口上會產(chǎn)生同樣大小的附加噪聲，Te 與噪聲因子的關(guān)系是:

一個超過室溫端接負載的電噪聲，這個額外產(chǎn)生的噪聲量被表征為 "超噪比" (即 ENR)。對于一個給定的噪聲源，ENR 的值會隨著頻率而變化。根據(jù)內(nèi)部衰減器的情況的不同，典型噪聲源的 ENR 標稱值的范圍在 5 dB 到 15 dB 之間。使用噪聲源可以在被測器件的輸出端口得到兩個噪聲功率的測量結(jié)果，這兩個測量結(jié)果的比值 (稱為 Y 因子) 可用來計算噪聲系數(shù)。使用 Y 因子法進行測量還能生成被測器件的標量增益。

第二種測量噪聲系數(shù)的方法是冷源法，有時也把這種方法叫做直接噪聲測量法。在被測器件的輸入端口連接一個冷 (通常是室溫的) 端接負載，另外再單獨測量被測器件的增益。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 測量噪聲系數(shù)就經(jīng)常采用冷源法，因為這可以使我們在測量放大器或變頻器時，只需通過單次連接，就可以完成諸如 S 參數(shù)、壓縮、噪聲系數(shù)等多項指標的測試。