三種測量噪聲系數(shù)的典型方法

　　1 引言

　　噪聲系數(shù)是微波產(chǎn)品研制和生產(chǎn)過程中的一項主要測量參數(shù)，是表征接收機及其組成部件在有熱噪聲存在的情況下處理微弱信號能力的關(guān)鍵參數(shù)之一，噪聲系數(shù)的計量測試更是噪聲計量測試的重要內(nèi)容。

　　在工程上定義噪聲因子（F）為若線性兩端口網(wǎng)絡(luò)具有確定的輸入端和輸出端，且輸入端源阻抗處于290。K（室溫）時，網(wǎng)絡(luò)輸入端信號噪聲功率比與網(wǎng)絡(luò)輸出端信號噪聲功率比的比值。

　　其中， Si為輸入信號功率，Ni為輸入噪聲功率，So 為輸出信號功率，No為輸出噪聲功率，G為兩端口網(wǎng)絡(luò)增益，Na為兩端口網(wǎng)絡(luò)本身的噪聲功率。

　　它明確地表明了由于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生噪聲，使網(wǎng)絡(luò)輸入端信噪比經(jīng)過該網(wǎng)絡(luò)傳輸后信噪比惡化的倍數(shù)，也就是傳輸網(wǎng)絡(luò)對其輸出端總噪聲功率貢獻的大小。噪聲系數(shù)（NF）為噪聲因子的對數(shù)表達形式，定義如下：

　　可重復(fù)的、高精度的噪聲系數(shù)測量方法是非常重要的，本文討論其中三種典型方法：噪聲測試儀法、增益法和Y系數(shù)法，并通過實驗驗證Y系數(shù)法的準(zhǔn)確度。

　　2 噪聲測試儀法

　　使用噪聲測試儀是測量噪聲系數(shù)最直接方法，在大多數(shù)情況下也是最準(zhǔn)確的。工程師可在特定的頻率范圍內(nèi)測量噪聲系數(shù)。噪聲測試儀能夠同時顯示增益和噪聲系數(shù)來幫助測量。噪聲測試儀的測試原理圖如圖1所示。

　　圖1 噪聲測試儀法原理圖

　　噪聲測試儀測 試噪聲系數(shù)的核心是Y系數(shù)法。首先，噪聲測試儀本身是一臺接收機，可以用來測試輸人的噪聲功率；其次噪聲測試儀需要控制一個噪聲源的加電和不加電狀態(tài)，對被測件（DUT）進行測試。

　　噪聲系數(shù)測試儀，如AV3984噪聲系數(shù)分析儀，產(chǎn)生28VDC脈沖信號驅(qū)動噪聲源（AV16604），該噪聲源產(chǎn)生噪聲驅(qū)動DUT．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(shù)可以在內(nèi)部計算和在屏幕上顯示。

　　使用噪聲系數(shù)測試儀是測量噪聲系數(shù)的最直接方法。測量人員可在特定的頻率范圍內(nèi)測量噪聲系數(shù)，通常噪聲分析儀在超低的噪聲測量中準(zhǔn)確度更高一些，當(dāng)測量很高的噪聲系數(shù)時，測量結(jié)果會不準(zhǔn)確。

　　3 增益法

　　目前噪聲系數(shù)的測量主要使用專用的噪聲系數(shù)測試儀，但當(dāng)不具備這種專用設(shè)備或者所要求測試頻率范圍不在其范圍時，可以采用頻譜分析儀測量噪聲系數(shù)，即增益法，該方法對于頻率在所用頻譜儀頻率范圍內(nèi)的被測件都能進行測量。

　　基于噪聲系數(shù)的定義可以得到一個測量公式 ：

　　式（3）中，Pout是已測的噪聲功率譜密度，-174 dBm/Hz是290°K（室溫）時環(huán)境噪聲的功率譜密度，BW是感興趣的頻率帶寬，Gain是系統(tǒng)的增益。式（3）中每個變量均為對數(shù)，為簡化公式，我們可以直接測量輸出噪聲功率譜密度（dBm/Hz），這時式（3）變?yōu)椋?/p>

　　以接收機為例，測試原理如圖2所示。

　　圖2 增益法測試框圖

　　用信號源和頻譜儀測量出接收機的增益（在接收機能夠接收的電平范圍都可以，如 果感興趣的是接近接收機小信號時的噪聲系數(shù)，可以選擇接近靈敏度電平，比如小于- 100 dBm的信號強度）；為獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)的分辨帶寬（RBW）與視頻帶寬（VBW），使頻譜儀上的基底噪聲看起來比較干凈。視頻帶寬越小，頻譜儀上顯示的基底噪聲越小，Pout讀數(shù)越準(zhǔn)確。

　　只要頻譜分析儀允許，這種方法可以適用于任何頻率范圍。通常噪聲分析儀在超低的噪聲測量中準(zhǔn)確度更高一些。對于系統(tǒng)增益非常高、噪聲系數(shù)非常高的場合，這種方法也很準(zhǔn)確。最大的限制來自于頻譜儀的噪聲基底。

　　4 Y系數(shù)法

　　Y系數(shù)法是測量噪聲系數(shù)的一種典型方法。Y系數(shù)是指當(dāng)被測件（DUT）的輸入端處于2個不同的資用噪聲功率時，在DUT的輸出端得到的2個相應(yīng)的資用噪聲功率之比。噪聲源是Y系數(shù)法測量必不可少的設(shè)備，噪聲源是能產(chǎn)生2種不同噪聲功率的噪聲發(fā)生器，一般需要用DC脈沖電源驅(qū)動電壓，當(dāng)DC驅(qū)動電壓供電時相當(dāng)于噪聲源開，稱為熱態(tài)，此時輸出大的噪聲功率；DC驅(qū)動電源關(guān)閉時相當(dāng)于噪聲源關(guān)斷，稱為冷態(tài)，此時輸出常溫下的噪聲功率。噪聲源的熱溫與冷溫的差值稱為噪聲源的超噪比（ENR）。

　　測試原理如圖1所示，為了進一步說明其工作原理，下面導(dǎo)出它的工作方程。

　　當(dāng)噪聲源轉(zhuǎn)移到噪聲溫度T0時，DUT的輸出功率Pn為：

　　式（5）中，k為波爾茲曼常數(shù)，1.38*10- 23J/K，B為帶寬（Hz），G為增益，Te為被測網(wǎng)絡(luò)等效輸入噪聲溫度（K）。同理，當(dāng)噪聲源轉(zhuǎn)移到噪聲溫度Tn時，DUT的輸出噪聲功率Pn為：

　　設(shè)噪聲系數(shù)測試儀的增 益為C，則在上述兩種情況下，噪聲系數(shù)測試儀所檢測到的功率分別為CP0和CPn即：

　　對式（3）和式（4）聯(lián)立求解 Te并表示為F，即可得到：

　　式中，ENR是噪聲源的超噪比（dB）， Y=CPn/CP0，功率比值，通常稱為Y系數(shù)，F(xiàn)是噪聲系數(shù)（dB）。

　　圖3所示為Y系數(shù)量值發(fā)生器的組成原理圖。

　　圖3 Y系數(shù)發(fā)生器原理圖

　　首先使噪聲源工作在噪聲溫度T0（冷態(tài)），射頻衰減器置于0（dB），標(biāo)準(zhǔn)衰減器置于A0（dB），并使指示器指示在某一位置；然后，噪聲源工作在噪聲溫度Tn（熱態(tài)），調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)衰減器使指示器的指示回到原來位置。設(shè)此時的衰減讀數(shù)為An，那么A = An - A0（dB），可以得到Y(jié)系數(shù)的表達式為：

　　Y系數(shù)法適用于大范圍噪聲系數(shù)的測量，簡單易行并且準(zhǔn)確度高，只需要知道噪聲源的ENR，并測量出噪聲源冷、熱2個狀態(tài)下的輸出噪聲功率，不用測量DUT的增益，因此在對噪聲系數(shù)準(zhǔn)確度做檢定時采用此方法。

　　5 實驗驗證

　　將式（10）給出的Y系數(shù)代人式（9），就復(fù)現(xiàn)了噪聲系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值Fs，結(jié)果如表1所示。

　　我們選用AV3984型微波噪聲系數(shù)分析儀進行實驗，其工作頻率為10 MHz～26．5 GHz，實驗框圖如圖4所示。

　　圖4 實驗框圖

　　依據(jù)圖4所示連接實驗儀器，AV3984的噪聲系數(shù)性能指標(biāo)為±0．25 dB，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

　　實驗中使用標(biāo)準(zhǔn)衰減器，通過記錄噪聲系數(shù)分析儀的Phot值，代入下列公式計算，得出噪聲系數(shù)測量值：

　　結(jié)果表明，數(shù)據(jù)的最大偏差在0．25 dB內(nèi)。Y系數(shù)法能測量很大的噪聲系數(shù)范圍，適用于任何頻段，不受增益限制，準(zhǔn)確度更高。

　　實驗中使用智能噪聲源，超噪比表可以自動從噪聲源內(nèi)上載到噪聲系數(shù)分析儀內(nèi)，也可以在需要的時候通過命令上載。對于需要手動輸入超噪比表的噪聲源，在測量之前一定要確認所使用的超噪比表與噪聲源是匹配的。

　　噪聲系數(shù)FS - Y系數(shù)值關(guān)系表

　　6 結(jié)束語

　　本文討論了測量接收機噪聲系數(shù)的三種方法，每種方法都有其優(yōu)缺點，適用于特定的應(yīng)用。噪聲系數(shù)測試儀法最直接簡單，在低噪聲測量中準(zhǔn)確度更高；增益法可用于所有頻段，尤其適合測量較高的噪聲系數(shù)，但受頻譜儀的基底噪聲限制；Y系數(shù)法適用于所有的系統(tǒng)噪聲系數(shù)測試，準(zhǔn)確度較高，通過實驗驗證可看出數(shù)據(jù)的偏差較小，且不受增益限制。