噪声系数的含义和测量方法

2016-01-11 09:04:50   来源:eefocus   

关键字: 噪声系数  测量方法

噪声系数的含义和测量方法

噪声系数的含义

噪声系数是用来描述一个系统中出现的过多的噪声量的品质因数。把噪声系数降低到最小的程度可以减小噪声对系统造成的影响。在日常生活中,我们可以看到噪声会降低电视画面的质量,也会使无线通信的话音质量
变差; 在诸如雷达等的军用设备中,噪声会限制系统的有效作用范围; 在数字通信系统中,噪声则会增加系统的误码率。电子设备的系统设计人员总是在尽最大努力使整个系统的信噪比 (SNR) 达到最优化的程度,为了达到这个目的,可以用把信号提高的办法,也可以用把噪声降低的办法。在像雷达这样的发射接受系统中,提高信噪比的一种方法是用更大的大功率放大器来提高发射信号的功率,或使用大口径天线。降低在发射机和接收机之间信号传输路径上对信号的衰耗也可以提高信噪比,但是信号在传输路径上的衰耗大都是由工作环境所决定的,系统设计人员控制不了这方面的因素。还可以通过降低由接收机产生的噪声 — 通常这都是由接收机前端的低噪声放大器 (LNA) 的质量决定的 — 来提高信噪比。与使用提高发射机功率的方法相比,降低接收机的噪声 (以及让接受机的噪声系数的指标更好) 的方法会更容易和便宜一些。

噪声系数的定义是很简单和直观的。一个电子系统的噪声因子 (F) 的定义是系统输入信号的信噪比除以系统输出信号的信噪比:

                                   F = (Si/Ni)/(So/No)

Si = 输入信号的功率
So = 输出信号的功率
Ni = 输入噪声功率
No = 输出噪声功率
把噪声因子用分贝 (dB) 来表示就是噪声系数 (NF),NF = 10*log (F)。

这个对噪声系数的定义对任何电子网络都是正确的,包括那些可以把在一个频率上的输入信号变换为另外一个频率的信号再输出的电子网络,例如上变频器或下变频器。

为了更好地理解噪声系数的定义,我们来看看放大器的例子。放大器的输出信号的功率等于放大器输入信号的功率乘以放大器的增益,如果这个放大器是一个很理想的器件的话,其输出端口上噪声信号的功率也应该等于输入端口上噪声信号的功率乘以放大器的增益,结果是在放大器的输入端口和输出端口上信号的信噪比是相同的。然而,实际情况是任何放大器输出信号的噪声功率都比输入信号的噪声功率乘以放大器的增益所得到的结果大,也就是说放大器输出端口上的信噪比要比输入端口上的信噪比小,即噪声因子F 要大于 1,或者说噪声系数 NF 要大于 0 dB。

在测量并比较噪声系数的测量结果时,非常重要的是要注意我们在测量的过程中是假定测量系统能够在被测器件 (DUT) 的输入端口和输出端口上提供非常完美的 50 Ω 的负载条件。可是在实际测量中,这样完美的条件永远不会存在。稍后我们会讨论如果测量系统不是很完美的 50 Ω 系统会对噪声系数的测量精度造成怎样的影响。同时,我们也会看到各种校准和测量方法是怎么克服因为不是很完美的 50 Ω 的源匹配而造成的测量误差的。

图1   器件对信号的处理过程

另一种用来表达由一个放大器或系统引入的附加噪声的术语是有效输入温度 (Te)。为了理解这个参数,我们需要先看一下无源负载所产生的噪声的量的表达方式 — kTB,其中 k 是玻尔兹曼常数,T 是以开尔文为单位的负载的温度,B 是系统带宽。因为在某个给定的带宽内,器件产生的噪声和温度是成正比的,所以,一个器件所产生的噪声的量可以表示为带宽归一化为 1 Hz 的等效噪声温度。例如,一个从市场上可以买到的超噪比(ENR)为 15 dB 的噪声源产生的电噪声可以等效表示为温度为 8880 K 的负载。任何一个实际器件的噪声系数都可以表示为一个有效输入噪声温度。显然 Te 不是放大器或变频器的实际物理温度,它是与一个 (噪声为零的) 完美器件相连的在输出端会产生同样大小的附加噪声的输入负载的等效温度 (单位为开尔文),Te 与噪声因子的关系是:

                          Te = 290* (F - 1)
虽然大部分低噪声放大器 (LNA)的特性是用噪声系数来描述的,但是当 LNA 的噪声系数小于 1 时,就会经常用 Te 来描述它的噪声特性。在做涉及到噪声功率的计算时,Te 也是一个很有用的参数。

噪声系数测量方法

主要有两种测量噪声系数的方法。最常用的是所谓 Y 因子法或冷热源法,安捷伦科技的噪声系数分析仪和频谱分析仪都是用这种方法测量噪声系数。

Y 因子法使用经过校准的由特制的可以打开和关闭的噪声二极管组成的噪声源,在噪声源的后面还有一个用来提供较好的输出匹配的衰减器,如图2 所示。当二极管被关闭,也即没有偏置电流存在的时候,噪声源对于被测器件来说所呈现的是一个温度为室温的负载。当二极管被反向偏置的时候,它所产生的雪崩效应会产生一个超过负载在室温环境下所产生的噪声的电噪声,这个额外产生的噪声的量被表征为“超噪比”(即 ENR)。对于一个给定的噪声源,ENR 的值会随着频率的变化而变化。根据噪声源内部衰减器的情况的不同,典型噪声源的 ENR 的额定值的范围在 5 dB 到 15 dB 之间。使用噪声源可以在被测器件的输出端口得到两个噪声功率的测量结果,然后,这两个测量结果的比值 — 被称之为 Y 因子 — 可以用来计算噪声系数。使用 Y 因子法进行测量还可以产生被测器件的标量增益的测量结果。

图2   超噪源的原理图

第二种测量噪声系数的方法是冷源法,有时也把这种方法叫做直接噪声测量法 — 在被测器件的输入端口连接一个冷 (通常是室温的) 负载,另外再单独测量被测器件的增益。使用矢量网络分析仪 (VNA) 测量噪声系数就经常采用冷源法,因为这可以使我们在测量放大器或变频器时,只需要把被测器件与仪表进行一次连接,就可以完成诸如 S 参数、增益压缩、噪声系数等多项指标的测试。

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编辑:什么鱼
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