噪声系数的三种测量方法及对比

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图２ 只要频谱分析仪允许， 增益法可适用于任 何频率范围内。最大的限制来自于频谱分析仪的 噪声基底。在公式中可以看到， 当噪声系数较低 （ 小 于 １０ｄＢ） 时 ，（ ＰＯＵＴＤ－ 增 益 ） 接 近 于 － １７０ｄＢｍ／Ｈｚ， 通常 ＬＮＡ 的增益约为 ２０ｄＢ。这样我 们需要测量－ １５０ｄＢｍ／Ｈｚ 的噪声功率谱密度， 这 个值低于大多数频谱仪的噪声基底。这样系统增
这就是 Ｙ 因数法， 名字来源于上面的式子。 结束语： 文章讨论了测量射频器件噪声系数 的三种方法。每种方法都有其优缺点， 适用于特 定的应用。下表是三种方法优缺点的总结。理论 上， 同一个射频器件的测量结果应该一样， 但是 由于射频设备的限制（ 可用性、精度、频率范围、 噪声基底等） ， 必须选择最佳的方法以获得正确 的结果。
关键词： 噪声系数； 测量方法； 对比
１ 概述 噪声系数（ ＮＦ） 有时也指噪声因数（ Ｆ） 。两者 简单的关系为： ＮＦ＝１０＊ｌｏｇ１０（ Ｆ） 噪声系数（ 噪声因数） 包含了射频系统噪声 性能的重要信息， 标准的定义为： 噪声因数（ Ｆ） ＝
输出端总噪声功率 外部噪声在输出端呈现的噪声功率
从这个定义可以推导出很多常用的噪声系 数（ 噪声因数） 公式。噪声系数的测量方法随应用 的不同而不同。一些应用具有高增益和低噪声系 数（ 低噪声放大器（ ＬＮＡ） 在高增益模式下） ， 一些 则具有低增益和高噪声系数 （ 混频器和 ＬＮＡ 在 低增益模式下） ， 一些则具有非常高的增益和宽 范围的噪声系数（ 接收机系统） 。因此测量方法必 须仔细选择。下面将讨论噪声系数测试仪法和其 他两个方法： 增益法和 Ｙ 因数法。
益非常高， 因
表１
而大多数频谱
仪均可准确测
量噪声系数。
类似地， 如果
ＤＵＴ 的 噪 声
系数非常高
（ 比如高于
３０ｄＢ） ， 这个方法也非常准确。 ４ Ｙ 因数法
参考文献 ［１］戈 稳．雷 达 接 收 机 技 术［Ｍ］．北 京 ： 电 子 工 业 出
Ｙ 因数法是另外一种常用的测量噪声系数 版社．
的方法。为了使用 Ｙ 因数法， 需要 ＥＮＲ（ 超噪比）
源。ＥＮＲ 定义为噪声发生器的输出功率与器件
责任编辑： 田波
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上本身具有标准的噪声系数参数。令： Ｙ＝（ Ｓ０＋Ｎ０） ／Ｎ０
其中 Ｎ０ 为不启动噪声发生器时， 从指示器 上读出的指示； Ｓ０＋Ｎ０ 为启动噪声发生器时， 从指 示器上读出的指示。
开启或者关闭噪声源， 测量人员可使用频谱
分析仪测量输出噪声功率谱密度的变化。由噪声
系数的定义， 计算噪声系数的公式为： 噪声系数
尔文， △Ｆ＝噪 声 带 宽（ Ｈｚ） ， 在 室 温（ ２９０△Ｋ） 时 ，
噪声功率谱密度 ＰＮＡＤ－ １７４ｄＢｍ／Ｈｚ。 因 而 我 们 有 公 式 ： ＮＦ＝ＰＮＯＵＴ－（ － １７４ｄＢｍ／Ｈｚ＋
２０＊ｌｏｇ１（０ ＢＷ） ＋增 益） 在 公 式 中 ， ＰＮＯＵＴ 是 已 测 的总共输出噪声功率， － １７４ｄＢｍ／Ｈｚ 是 ２９０°Ｋ 时
环境噪声的功率谱密度。ＢＷ 是感兴趣的频率带
宽。Ｇａｉｎ 是系统的增益。ＮＦ 是 ＤＵＴ 的噪声系数。
公式中的每个变量均为对数。为简化公式， 我们
可 以 直 接 测 量 输 出 噪 声 功 率 谱 密 度（ ｄＢｍ／Ｈｚ） ，
图３
这时公式变为： ＮＦ＝ＰＮＯＵＴＤ＋１７４ｄＢｍ／Ｈｚ－ Ｇａｉｎ
ＥＮＲ 头 能 够 工 作 在 非 常 宽 的 频 段 （ 例 如
统输入的干扰， 与需要的有用信号不同。第二个 噪声折合到输入端的功率之比。这和前面噪声系
是由于射频系统载波的随机扰动带来的器件的 数测试仪部分提到的噪声源是同一个东西。装置
内部噪声（ ＬＮＡ， 混频器和接收机等） 。器件的可 图见图 ３：
利用的噪声功率为： ＰＮｌ＝ｋＴ△Ｆ。这里的 ｋ＝波尔兹 曼常量（ １．３８＊１０－２３ 焦耳／△Ｋ） ，Ｔ＝温 度 ， 单 位 为 开
２ 使用噪声系数测试仪 噪声系数测试／分析仪在图 １ 中给出。
图１ 噪 声 系 数 测 试 仪 ， 如 Ａｇｉｌｅｎｔ 公 司 的 Ｎ８９７３Ａ 噪声系数分析仪， 产生 ２８ＶＤＣ 脉冲信 号 驱 动 噪 声 源（ ＨＰ３４６Ａ／Ｂ） ， 该 噪 声 源 产 生 噪 声 驱动待测器件（ ＤＵＴ） 。使用噪声系数分析仪测量 待测器件的输出。由于分析仪已知噪声源的输入 噪 声 和 信 噪 比， ＤＵＴ 的 噪 声 系 数 可 以 在 内 部 计 算和在屏幕上显示。对于某些应用（ 混频器和接 收机） ， 可能需要本振（ ＬＯ） 信号， 如图 １ 所示。 使用噪声系数测试仪是测量噪声系数的最 直接方法。在大多数情况下也是最准确地。测量 人员可在特定的频率范围内测量噪声系数， 分析 仪能够同时显示增益和噪声系数帮助测量。分析 仪具有频率限制。例如， Ａｇｉｌｅｎｔ Ｎ８９７３Ａ 可工作 频率为 １０ＭＨｚ 至 ３ＧＨｚ。当测量很高的噪声系数 时， 例如噪声系数超过 １０ｄＢ， 测量结果非常不准 确。而且仪器非常昂贵。 ３ 增益法 除了直接使用噪声系数测试仪外还可以采 用其他方法测量噪声系数。这些方法需要更多测 量和计算， 但是在某种条件下， 这些方法更加方 便和准确。其中一个常用的方法叫做“增益法”， 它是基于前面给出的噪声因数的定义。在这个定 义中， 噪声由两个因素产生。一个是到达射频系
（
ＮＦ） ＝１０＊ｌｏｇ１（０
１０ （ ＥＮＲ／１０） １０ （ Ｙ／１０） － １
）
。在这个式子中， ＥＮＲ
为已知。通常 ＥＮＲ 头的 ＮＦ 值会列出。ＥＮＲ 噪声
头提供两个噪声温度的噪声源： 热温度时 Ｔ＝ＴＨ
（ 直流电压加电时） 和冷温度 Ｔ＝２９０°Ｋ。ＥＮＲ 噪声
头
的定
义
为
：
ＥＮＲ＝
ＴＨ－ ２９０ ２９０
为 了 使 用 增 益 法 测 量 噪 声 系 数 ， ＤＵＴ 的 增 ＨＰ３４６Ａ／Ｂ 为 １０ＭＨｚ 至 １８ＧＨｚ） ， 在特定的频率
益需要预先确定的。ＤＵＴ 的输入需要端接特性 阻抗（ 射频应用为 ５０Ω， 视频／电缆应用为 ７５Ω） 。 输出噪声功率谱密度可使用频谱分析仪测量。增 益法测量的装置见图 ２。
科苑论谈
噪声系数的三种测量方法及对比
解冰 董磊 （ 西安卫星测控中心， 陕西 渭南 ７１４０００）
摘 要： 在无线通信系统中， 噪声系数（ ＮＦ） 或者相对应的噪声贡献。详细阐述这个重要的参数及 其不同的测量方法之间的比较。对测量雷达接收机的噪声系数有一定的指导作用。