微波光子的参数：噪声系数测量-编程知识

在微波光子链路中，常用噪声系数（NF：Noise Figure）来衡量微波信号的信噪比从输入到输出的下降。因而它是结合了噪声和增益二者的一个综合指标。链路的噪声系数表达式为

噪声因子F：输入信噪比除以输出信噪比

噪声系数NF：输入信噪比除以输出信噪比取对数

NF = 10 * log10 (F)

输入信噪比经过链路之后肯定得恶化，所以输入信噪比输出信噪比大，噪声系数是正数

介绍了三种不同的测量噪声系数的方法:增益法、y因子法和噪声系数计法。在表格中对这三种方法进行了比较。

1、噪声系数分析仪

噪声系数仪（如 Agilent N8973A 噪声系数分析仪）会产生一个 28VDC 脉冲信号来驱动噪声源（HP346A/B），该噪声源会产生噪声来驱动被测设备（DUT）。然后由噪声系数分析仪测量 DUT 的输出。由于分析仪已知噪声源的输入噪声和信噪比，因此可以在内部计算并显示 DUT 的噪声系数。对于某些应用（混频器和接收器），可能需要 LO 信号，如图 1 所示。此外，在测量前还需要在噪声系数表中设置某些参数，如频率范围、应用（放大器/混频器）等。

使用噪声系数表是测量噪声系数最直接的方法。在大多数情况下，它也是最准确的。工程师可以测量一定频率范围内的噪声系数，分析仪可以显示系统增益和噪声系数，以帮助测量。噪声系数表也有局限性。分析仪有一定的频率限制。例如，安捷伦 N8973A 的工作频率为 10MHz 至 3GHz。此外，在测量高噪声系数（如噪声系数超过 10dB）时，结果可能会非常不准确。这种方法需要非常昂贵的设备。

2、如上所述，除了直接使用噪声系数计之外，还有其他方法可以测量噪声系数。这些方法需要更多的测量和计算，但在一定条件下，它们更方便，更准确。一种流行的方法被称为“增益法”，它是基于前面给出的噪声因子定义

在这个定义中，“噪音”是由于两种影响。一种是干扰，它以与期望信号不同的形式进入射频系统的输入端。二是由于射频系统中载波(LNA、混频器、接收机等)的随机波动。

第二种效应是布朗运动的结果，它适用于任何电子设备的热平衡，并且设备的可用噪声功率为

在方程式中， $P_{NOUT}$ 是测量的总输出噪声功率。-174dBm/Hz是室温环境噪声的噪声密度。BW是感兴趣频率范围的带宽。增益是系统增益。NF是DUT的噪音系数。等式中的所有内容都是对数刻度的。为了使公式更简单，我们可以直接测量输出噪声功率密度（以dbm/hz为单位），并且方程变为：

要使用“增益方法”来测量噪声系数，需要预先确定DUT的增益。然后，DUT的输入需要特征阻抗（大多数RF应用程序50Ω，视频/电缆应用程序为75Ω）。然后用频谱分析仪测量输出噪声功率密度。

作为一个例子，我们测量了MAX2700的噪声系数。在指定的LNA增益设置和VAGC下，测量增益为80dB。然后，如上所示设置设备，并使用50Ω终端射频输入。我们读取输出噪声密度为-90dBm/hz。为了获得稳定而准确的噪声密度读数，RBW（分辨率带宽）和VBW（视频带宽）的最佳比率为RBW/VBW = 0.3。

因此，我们可以计算NF为

-90dBm/Hz + 174dBm/Hz - 80dB = 4.0dB.

“增益法”可以覆盖任何频率范围，只要频谱分析仪允许。最大的限制来自频谱分析仪的本底噪声。如上面方程式所示，当噪声图较低（小于 10db），（ $P_{NOUT}$ -gain，-90dBm/Hz - 80dB ）接近-170dbm/hz时。正常LNA增益约为20dB。在这种情况下，我们需要测量-150dBm/hz的噪声功率密度，该密度低于大多数频谱分析仪的噪声层。

这里的理解，频谱分析仪的低噪需要非常的低，假设正常的是-120dBm/hz，增益是20dB，

NF= -120dBm/hz -20dB + 174dBm/Hz=34dB

一个射频放大器噪声系数肯定没有这么高，这就不对了。

$P_{NOUT}$ 总输出噪声功率的测量很关键

在我们的例子中，系统增益非常高，因此大多数频谱分析仪可以准确地测量噪声系数。同样，如果被测件的噪声系数非常高(例如超过30dB)，这种方法也可以非常准确。

Y因子法

Y因子法是测量噪声系数的另一种常用方法。为了使用Y因子法，需要一个noise source源(超额噪声比)。它与我们之前在“噪声系数计”一节中提到的噪声源是一样的。设置如图3所示

ENR头通常需要高直流电压电源。例如，HP346A/B噪声源需要28VDC。
346A Noise Source, 10 MHz to 18 GHz, nominal ENR 6 dB

打开和关闭噪声源(通过打开和关闭直流电压)，工程师用频谱分析仪测量输出噪声功率密度的变化。计算噪声系数的公式为

其中ENR为上表所示的数字。
Y为噪声源开启与关闭时输出噪声功率密度之差。

同样，让我们以MAX2700为例，说明如何使用y因子法测量噪声系数。设置如图3所示。将HP346A ENR噪声头连接到射频输入端。将28V直流电源电压连接到噪声头。我们可以用频谱分析仪监测输出噪声密度。通过关闭然后打开直流电源，噪声密度从-90dBm/hz增加到-87dBm/hz。y = 3db。再次，为了获得稳定而准确的噪声密度读数，RBW/VBW设置为0.3。从表1中，在2GHz时，我们得到ENR = 5.28dB。因此，我们可以计算出NF为5.3dB。

总结
本文讨论了测量射频器件噪声系数的三种方法。它们各有优点和缺点，每一个都适合于某些应用。从理论上讲，同一台射频设备的测量结果应该是相同的，但由于射频设备的局限性(可用性、精度、频率范围、本底噪声等)，我们必须仔细选择最佳的方法才能得到正确的结果。