噪声系数的原理和测试方法
频谱仪测噪声系数测试方法
频谱仪测噪声系数测试方法噪声系数是指在信号传输过程中，信号与噪声的比值，是评估通信系统性能的重要指标之一。
因此，测量噪声系数在通信系统设计和优化中具有重要意义。
本文将介绍一种基于频谱仪的噪声系数测试方法。
一、噪声系数的定义噪声系数是衡量信号传输中信噪比的一种指标，通常用dB表示。
它是指在信号传输过程中，输入端信噪比与输出端信噪比之比，即： Nf = (SNRin / SNRout)dB其中，SNRin是输入信号的信噪比，SNRout是输出信号的信噪比。
噪声系数是一个无单位的数值，它越小，表示信噪比损失越小，系统性能越好。
二、频谱仪测噪声系数的原理频谱仪是一种用于测量信号频谱特性的仪器，它可以将信号分解成频率分量，并显示在频谱图上。
在信号传输过程中，噪声会在各个频率分量上产生，因此通过频谱仪可以直接测量出信号的噪声功率谱密度。
在此基础上，可以计算出输入信噪比和输出信噪比，进而计算出噪声系数。
三、频谱仪测噪声系数的步骤1. 连接设备将频谱仪和被测系统连接，确保信号传输通畅。
频谱仪应该与被测系统在同一电源下，以避免地线干扰。
2. 设置频谱仪参数根据被测系统的信号特性，设置频谱仪的参数。
包括中心频率、带宽、分辨率带宽、平均次数等。
3. 测量被测系统的噪声功率谱密度在频谱仪上选择“功率谱密度”模式，启动测量。
记录下被测系统的噪声功率谱密度。
4. 测量输入信噪比在频谱仪上选择“单次扫描”模式，启动测量。
记录下输入信号的功率和噪声功率谱密度，计算输入信噪比。
5. 测量输出信噪比在频谱仪上选择“单次扫描”模式，启动测量。
记录下输出信号的功率和噪声功率谱密度，计算输出信噪比。
6. 计算噪声系数根据输入信噪比和输出信噪比，计算噪声系数。
公式如下：Nf = (SNRin / SNRout)dB四、注意事项1. 频谱仪的选择应根据被测系统的信号特性和测试需求来确定。
2. 在测量过程中，应注意防止干扰和误差的产生。
如地线干扰、环境噪声等。
噪声系数计算方法分析噪声系数计算方法分析
噪声系数的计算方法摘要：介绍了测量噪声系数的几种典型测量，重点分析了目前实际工程和研究中最常用的噪声系数测量方法—Y系数法，并对测量误差的主要来源进行了分析，阐述了噪声发生器性能和环境温度变化对测量结果的影响。
关键词：噪声系数；测量误差；Y因子MethodsofNoiseFigureMeasuringAbstract：Inthispaper,itintroducedmethodsofnoisefiguremeasuring.Manyemphasesare putonanalyzingY-factormethodwhichisthemostwidely-usednoisefiguremeasu ringmethodnowadaysinpracticalengineeringandstudy.Andanalyzethemainsou rceofmeasurementerror,explaintheeffectsof noisegenerator’sperformance andthechangeofenvironmenttemperatureinmeasurementresults.Keywords:noisefigure;measurementerror;Y-factor1.前言噪声系数测量方法基本上取决于两种输入功率条件下,被测输出功率的测量,实际上是计算两个噪声功率的相对比值。
在怎样改变输入功率方面,人们采用过热负载与冷负载、气体放电噪声源、限温二极管、信号发生器和现今使用的固态噪声源。
测量方法上也有多种,在先进的噪声系数测量仪器出现以前,工程师们就想到了很多简易的噪声系数测量方法,其特点是所需要的设备少,操作简单,但测量精度不高,应用范围比较窄,虽然如此,过去被广泛使用的简易测量方法在今天在部分领域仍然有一定的应用价值。
2噪声系数的典型方法噪声系数是表征线性二端口网络或二端口变换器系统噪声特性的一个重要参数。
天线噪声系数
∑
∞
Ra ( m ) δ ( t − mTs )
数字基带信号s ( t ) 的功率谱密度与随机序列{an }的功率谱特性 Pa ( f )以及发送滤波器的频率特性GT ( f ) 有关.
27
基带信号的频谱特性(3)
特例：实随机序列{an }的各符号互不相关
(
)
gT ( t ) ∼ 发送脉冲波形，t ∈ ⎡0, Ts ⎤ ⎣ ⎦
■
∞ ⎡ ∞ ⎤ E ⎡ s ( t ) ⎤ = E ⎢ ∑ an gT ( t − nTs ) ⎥ = ma ∑ gT ( t − nTs ) ⎣ ⎦ n = −∞ ⎣ n = −∞ ⎦
周期为Ts
■
Rs ( t , t + τ ) = E ⎡ s ( t ) s ( t + τ ) ⎤ ⎣ ⎦
以卫星通信接收机的输入端作为参考点
Te=Ta/L+(1-1/L)Tk+Ter 这里 Ta是天线等效噪温 L是馈线损耗 Tk是馈线环境温度 Ter是接收机等效噪温 以馈线输入点作为参考点的等效噪温为 Te=Ta+(L-1)Tk+Lter 可以看到如果要减小卫星系统的等效噪温，需要 减小L和Ter。
14
∴ s ( t ) ∼ 循环平稳
26
基带信号的频谱特性(2)
循环平稳过程 s(t) 的功率谱密度
1 Rs (τ ) = Ts
∫
Ts 2 − Ts
1 = R ( t , t + τ ) dt 2 s Ts
∞ −∞
m = −∞
∑
∞
Ra ( m ) Rg (τ − mTs )
其中：Rg (τ ) = ∫ gT ( t ) gT ( t − τ ) dt
相位噪声基础及测试原理和方法
摘要：相位噪声指标对于当前的射频微波系统、移动通信系统、雷达系统等电子系统影响非常明显，将直接影响系统指标的优劣。
该项指标对于系统的研发、设计均具有指导意义。
相位噪声指标的测试手段很多，如何能够精准的测量该指标是射频微波领域的一项重要任务。
随着当前接收机相位噪声指标越来越高，相应的测试技术和测试手段也有了很大的进步。
同时，与相位噪声测试相关的其他测试需求也越来越多，如何准确的进行这些指标的测试也愈发重要。
1、引言随着电子技术的发展，器件的噪声系数越来越低，放大器的动态范围也越来越大，增益也大有提高，使得电路系统的灵敏度和选择性以及线性度等主要技术指标都得到较好的解决。
同时，随着技术的不断提高，对电路系统又提出了更高的要求，这就要求电路系统必须具有较低的相位噪声，在现代技术中，相位噪声已成为限制电路系统的主要因素。
低相位噪声对于提高电路系统性能起到重要作用。
相位噪声好坏对通讯系统有很大影响，尤其现代通讯系统中状态很多，频道又很密集，并且不断的变换，所以对相位噪声的要求也愈来愈高。
如果本振信号的相位噪声较差，会增加通信中的误码率，影响载频跟踪精度。
相位噪声不好，不仅增加误码率、影响载频跟踪精度，还影响通信接收机信道内、外性能测量，相位噪声对邻近频道选择性有影响。
如果要求接收机选择性越高，则相位噪声就必须更好，要求接收机灵敏度越高，相位噪声也必须更好。
总之，对于现代通信的各种接收机，相位噪声指标尤为重要，对于该指标的精准测试要求也越来越高，相应的技术手段要求也越来越高。
2、相位噪声基础2.1、什么是相位噪声相位噪声是振荡器在短时间内频率稳定度的度量参数。
它来源于振荡器输出信号由噪声引起的相位、频率的变化。
频率稳定度分为两个方面：长期稳定度和短期稳定度，其中，短期稳定度在时域内用艾伦方差来表示，在频域内用相位噪声来表示。
2.2、相位噪声的定义以载波的幅度为参考，在偏移一定的频率下的单边带相对噪声功率。
这个数值是指在1Hz的带宽下的相对噪声电平，其单位为dBc/Hz。
晶体管低频噪声系数测量原理
晶体管低频噪声系数测量原理1. 引言1.1 背景晶体管低频噪声系数的测量原理一直是电子领域研究的热点之一。
通过对晶体管在不同频率下的噪声功率谱进行测量，可以得到晶体管的噪声系数。
而在测量过程中，需要考虑到数据的准确性和可靠性，以保证测量结果的可靠性。
常用的晶体管低频噪声系数测量方法包括射频热噪声法、噪声系数测试仪法等。
在测量过程中，影响测量结果的因素包括环境温度、噪声源的稳定性、测量仪器的精确度等。
对测量数据进行处理和分析，能够更准确地反映晶体管的噪声特性。
测量结果的意义在于为电子设备的设计和优化提供重要参考，未来的发展方向则是提高测量的精度和速度，以满足日益增长的电子设备需求。
通过对晶体管低频噪声系数的研究，我们可以更好地理解和利用晶体管的性能，推动电子技术的发展。
1.2 研究意义晶体管低频噪声系数测量的研究意义主要体现在以下几个方面：晶体管作为电子器件中的重要组成部分，在通信、雷达、微波器件等领域有着广泛的应用。
低频噪声系数是评价晶体管放大器性能的重要指标之一，能够影响到系统的信噪比、灵敏度等参数。
深入研究晶体管低频噪声系数测量原理，对于提高电子器件的性能具有重要的实际意义。
晶体管低频噪声系数测量是衡量器件噪声性能的重要手段之一。
通过对晶体管的低频噪声系数进行精确测量，可以为器件设计与优化提供科学依据。
对晶体管噪声特性的准确掌握也对于噪声降低、信号增强等技术的研究与发展具有推动作用。
晶体管低频噪声系数的测量原理涉及到很多复杂的物理现象和技术手段，深入研究这些原理有助于完善噪声测量方法、提高测量精度，从而推动整个领域的发展。
对晶体管低频噪声系数测量原理的研究具有重要的理论和实际意义。
【完成】2. 正文2.1 晶体管低频噪声系数的定义晶体管低频噪声系数是指晶体管在低频工作条件下产生的噪声与输入信号的比值。
在实际应用中，晶体管的低频噪声系数直接影响着信号的清晰度和准确性。
晶体管的低频噪声系数可以通过测量晶体管的输出信号和噪声功率谱密度来得到。
混频器的噪声系数测试
混频器的噪声系数测试安捷伦科技应用工程师安捷伦科技高级应用工程师余弦顾宏亮问题来源在采用噪声系数表或者频谱仪的噪声系数选件进行下变频器噪声系数测试时，被测件设置（DUT setup）中的一个参数sideband常常使人感到迷惑，究竟LSB，USB和DSB各自是什么含义，测试结果之间存在什么关系呢？本文将通过原理和实例来详细阐述这一点。
背景介绍通信系统中的噪声会影响到微弱信号的传输。
系统参数中的灵敏度，误码率和噪声系数反映了该系统处理微弱信号的能力。
与其它两者相比，噪声系数的优点在于它不仅可以表征一个完整的系统，还能够表征单个的射频元件，包括LNA，混频器等等。
设计者可以通过规划单个元件的增益和噪声系数来控制整个系统的噪声系数。
因此，元器件的噪声系数测试是系统设计中经常碰到的一项测试。
通常情况下，我们采用噪声系数表或者频谱分析仪的噪声系数选件进行测试。
这两者的原理和操作界面几乎一致。
在本文中，以MXA的噪声系数选件为例。
在元器件的噪声系数测试中，下变频器是一项难点，设输入信号为Fin，本振信号为FLO，则输出信号会存在四个分量：Fin-FLO，FLO-Fin，Fin（输入信号泄漏），FLO（本振泄漏），因此，两个频段的输入信号和LO混频都可以得到同一个输出Fout，这就是通常所说的镜像。
在实际系统中，混频器前端有滤波器和低噪放等元件限制镜像频率，而在单个元件的测试中，却不一定有相关的设备。
噪声源是一个宽带的激励信号，若不加滤波器就直接连到混频器输入端，必然会有镜像频率的响应叠加到输出信号中，使测试结果存在偏差。
因此，我们需要了解仪表测试的原理及设置参数的含义，从而分析测试结果，修正镜像频率带来的偏差，得出正确的噪声系数。
测试原理噪声系数测试中DUT setup界面如下：首先选择DUT为下变频器（Downconv），频率关系中，IF代表输出，RF代表输入。
然后选择对应的边带sideband，LSB和USB分别表示低边带和高边带，统称SSB（单边带），DSB表示双边带。
噪声系数的含义和测量方法
噪声系数的含义和测量方法
噪声系数是指信号的输入与输出之间的不匹配程度。
它描述了信号传
输中由于不同因素引入的噪声与理论信号的误差比例。
噪声系数越低，表
示信号传输的质量越好。
测量噪声系数的方法主要有两种：器件法和级联法。
1.器件法：这种方法通过对测试样品进行直接测试来测量噪声系数。
测试过程中，利用馈电器件法将器件与参考元件相比较。
参考元件是已知
噪声性能的稳定器件，通常是一种电阻。
通过将被测器件和参考电阻器件
进行比较，可以计算出被测器件的噪声系数。
测量噪声系数时需要注意以下几点：
1.测试环境的干扰要尽可能减少，如尽量避免有其他电磁干扰源的存在。
2.测试过程中需要采用高灵敏度的仪器和设备进行测量，以保证准确性。
3.测量结果可能受到温度、频率等因素的影响，需要进行相应的修正。
4.测量时需要注意信号与噪声的区分，以避免噪声信号被错误地计入
信号中。
噪声系数的大小与信号传输过程中的损耗和噪声有关。
信号传输过程
中会受到各种因素的影响，如电阻、电感、电容、温度等。
这些因素会引
入噪声，导致信号损失和畸变。
噪声系数表示噪声引入的程度，即信号损
失与噪声之间的比值。
测量噪声系数的目的是为了评估信号传输的质量，找出信号传输过程
中引入的噪声和损耗。
这样可以针对噪声源采取相应的优化和改善措施，
提高信号传输系统的性能。
对于需要高质量信号的应用领域，如通信系统、射频系统等，噪声系数的测量和优化具有重要的意义。
噪声系数的原理和测试方法
噪声系数测试方法针对手机等接收机整机噪声系数测试问题，该文章提出两种简单实用的方法，并分别讨论其优缺点，一种方法是用单独频谱仪进行测试，精度较低；另一种方法是借助噪声测试仪的噪声源来测试，利用冷热负载测试噪声系数的原理，能够得到比较精确的测量结果。
图1是MAXIM公司TD-SCDMA手机射频单元参考设计的接收电路，该通道电压增益大于100dB，与基带单元接口为模拟I/Q信号，我们需要测量该通道的噪声系数。
采用现有的噪声测试仪表是HP8970B，该仪表所能测量的最低频率为10MHz，而TD-SCDMA基带I/Q信号最高有用频率成份为640KHz，显然该仪表不能满足我们的测量需求。
下面我们将介绍两种测试方案，并讨论其测试精度，最后给出实际测试数据以做对比。
图1：MAXIM公司TD-SCDMA手机射频接收电路。
利用频谱仪直接测试利用频谱仪直接测量噪声系数的仪器连接如图2所示，其中点频信号源用于整个通道增益的校准，衰减器有两个作用，一是起到改善前端匹配的作用；二是做通道增益校准使用，因接收机增益往往很高，大于100dB，而一些信号源不能输出非常弱的信号，配合该衰减器即能完成该功能。
测量步骤一：先利用信号源产生一个点频信号（一般我们感兴趣的是接收机小信号时的噪声系数，故此时点频信号电平应接近灵敏度电平），频点与本振信号错开一点，这样在基带I/Q端口可以得到一个点频信号，调节接收机通道增益使I/Q端点频信号幅度适中，测量接收机输入与输出端的点频信号大小可以求得这时的通道增益，记为G。
测量步骤二：接步骤一，关闭信号源，保持接收机所有设置不变，用频谱仪测量I/Q端口在刚才点频频点处的噪声功率谱密度，I端口记为Pncdensity(dBm/Hz), Q端口记为Pnsdensity(dBm/Hz)，则接收通道噪声系数有下式给出：上式中kb表示波尔兹曼常数，F是噪声系数真值，我们用NF表示噪声系数的对数值，NF＝10lg(F)， G表示整个通道增益，T1为当前热力学温度，T0等于290K。
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噪声系数测试方法
针对手机等接收机整机噪声系数测试问题，该文章提出两种简单实用的方法，并分别讨论其优缺点，一种方法是用单独频谱仪进行测试，精度较低；另一种方法是借助噪声测试仪的噪声源来测试，利用冷热负载测试噪声系数的原理，能够得到比较精确的测量结果。
图1是MAXIM公司TD-SCDMA手机射频单元参考设计的接收电路，该通道电压增益大于100dB，与基带单元接口为模拟I/Q信号，我们需要测量该通道的噪声系数。
采用现有的噪声测试仪表是HP8970B，该仪表所能测量的最低频率为10MHz，而TD-SCDMA基带I/Q信号最高有用频率成份为640KHz，显然该仪表不能满足我们的测量需求。
下面我们将介绍两种测试方案，并讨论其测试精度，最后给出实际测试数据以做对比。
图1：MAXIM公司TD-SCDMA手机射频接收电路。
利用频谱仪直接测试
利用频谱仪直接测量噪声系数的仪器连接如图2所示，其中点频信号源用于整个通道增益的校准，衰减器有两个作用，一是起到改善前端匹配的作用；二是做通道增益校准使用，因接收机增益往往很高，大于
100dB，而一些信号源不能输出非常弱的信号，配合该衰减器即能完成该功能。
测量步骤一：先利用信号源产生一个点频信号（一般我们感兴趣的是接收机小信号时的噪声系数，故此时点频信号电平应接近灵敏度电平），频点与本振信号错开一点，这样在基带I/Q端口可以得到一个点频信号，调节接收机通道增益使I/Q端点频信号幅度适中，测量接收机输入与输出端的点频信号大小可以求得这时的通道增益，记为G。
测量步骤二：接步骤一，关闭信号源，保持接收机所有设置不变，用频谱仪测量I/Q端口在刚才点频频点处的噪声功率谱密度，I端口记为Pncdensity(dBm/Hz), Q端口记为Pnsdensity(dBm/Hz)，则接收通道噪声系数有下式给出：
上式中kb表示波尔兹曼常数，F是噪声系数真值，我们用NF表示噪声系数的对数值，NF＝10lg(F)， G表示整个通道增益，T1为当前热力学温度，T0等于290K。
假定T1＝T0，容易求得NF的显式表达式如下：
或者：
关于方程2与方程3的正确性，我们可以做如下简单推导。
先考虑点频情况，设接收机输入端点频信号为：
接收机I/Q端口点频信号分别为：
现在考虑噪声问题，为简化计算，在此设当前温度为290K，即定义噪声系数的标准温度。
根据噪声系数的定义，我们可以将系统产生的噪声等效到输入端口，该噪声与资用噪声功率和应等于资用噪声功率的F倍。
图2：利用频谱仪直接测量噪声系数。
下面我们用一个窄带平稳高斯过程来描述这两部分噪声之和，设噪声带宽为2B，下面方程给出了该噪声的一些特性：
比较方程4与方程7，再参照方程5式与6式，我们可以得到接收机输出端的噪声表达式：
结合方程8与方程7可以直接得到方程2，结合方程9与方程7可以直接得到方程3，注意I与Q端口噪声带宽为B，是射频噪声带宽的一半。
图3比较形象地给出了噪声变换过程:
图3：输入输出噪声功率及功率谱密度关系。
从图3还可以看到，在数值上，输出同相噪声功率谱密度与输入同相噪声谱密度除通道增益与噪声系数外，相差6dB，这说明输入同相噪声上下两边带是严格相关的；输出正交噪声谱密度与输入正交相噪声谱密度相比除通道增益与噪声系数外，同样也有6dB增益。
借助标准噪声源精确测试
这里介绍的方法即Y系数法，也称为冷热负载法，一般噪声系数测试仪表就采用该方法，但仪表有它自身的限制，如HP8970B所能测量的最低频率为10MHz，待测件最大增益80dB。
我们这里采用通用频谱仪来检测待测件输出噪声大小，从而避开了噪声测试仪表在噪声检测上的限制，再根据Y系数法原理计算出待测件噪声系数。
图4给出了该方法的仪器配置图：
图4：Y系数法仪器配置图。
测量步骤一：先将接收机接到点频信号源侧，利用信号源产生一个灵敏度电平的点频信号（因为我们通常感兴趣的是接收机小信号时的噪声系数），频点与本振信号错开一点，这样在基带I/Q端口可以得到一个点频信号。
调节接收机通道增益使I/Q端点频信号幅度适中。
测量步骤二：接步骤一，保持接收机所有设置不变，将接收机接到噪声源一侧，噪声源置为冷态，设冷态噪声温度为T1，用频谱仪测量I端口噪声功率谱密度（I与Q有相同的性质，故此处仅提及I端口），记为Poc(dBm/Hz)。
测量步骤三：接步骤二，保持接收机设置不变，噪声源置为热态，设噪声温度为T2，用频谱仪测量I端口噪声功率谱密度，记为Poh(dBm/Hz)。
所谓Y系数法中的Y即测量步骤三与测量步骤二两测量值的比值：
设接收机等效噪声温度为Te。
我们可以用冷态源噪声温度，热态源噪声温度，接收机等效噪声温度来表示系数Y，如下式：
设噪声头超噪比为ENR，标准噪声温度为T0（290K），根据超噪比定义可得到下面等式：
根据噪声系数与等效噪声温度定义可以得到下式：
联立方程11、12和13，可以容易求得噪声系数关于ENR、Y、T1、T0的函数关系，其对数表达形式如下：
一般冷态噪声温度接近标准噪声温度，在对精度要求不高时，可以认为T1＝T0，上式可以简化为：
上式中Y由方程10给出，是间接测量值，ENR由噪声头给出。
根据该等式可以方便求出接收机噪声系数。
两种测试方法的优缺点比较
利用方法一测试MAXIM公司TD-SCDMA手机接收通道噪声系数，先利用点频信号测量通道增益，输入点频信号为－105.6dBm，频点2015.95MHz，MAX2392的LNA与混频器置为高增益高线性状态，VGC电压调到2.63V，本振频点置为2015.8MHz，这时我们在I输出端测到-3.5dBm的150KHz点频信号，从而计算出整个通道增益为102.1dB。
现在关掉输入的点频信号，利用频谱仪测量I端口在150KHz频点处噪声功率谱密度，我们用的频谱仪是RS公司FSEA，为使噪声测量结果精确，检波方式设为“SAMPLE”，然后再利用“Maker Noise”功能测试。
我们测到噪声功率谱密度为-63.5dBm/Hz。
根据方程2可以容易计算出整个通道的噪声系数为：
利用方法二测试MAXIM公司TD-SCDMA手机接收通道噪声系数，接上面的测量，保持MAX2392工作状态不变。
在上面测试中得到的I端口150KHz频点处噪声功率谱密度即为冷态噪声源时的噪声功率谱密度，现在仅需测热态时该频点处噪声功率谱密度。
在此我们用的是Noise/Com 公司的NC346A噪声头，其在2G 频点处超噪比ENR＝5.91dB。
利用与方法一中同样的测试方法，我们测到热态时在150KHz处噪声功率谱密度为-60.4dBm。
根据方程10可以计算出Y系数为3.1dB，再根据方程15我们可以计算出整个通道的噪声系数为：
比较上面两种方法得到的测量结果，仅差0.3dB，测试结果是比较理想的。
这两种方法中，第二种测试方法更精确一些，原因是频谱仪在测量噪声功率谱密度时可能会有误差，频谱仪的中频滤波器的信号带宽与噪声带宽一般不等，有的频谱仪会给出一个修正值，有的则没有，如我们没有考虑该修正值，或仪表在读数上未做修正，则我们测到的噪声功率谱密度就可能有1dB左右偏差，导致最终噪声系数1dB左右偏差。
如按第二种方法测试，因为我们仅需知道冷热噪声源时功率谱密度比值，即便在冷热两种噪声源时测到的功率谱密度有偏差，其比值依然是正确的，从而提高了噪声的测量精度。
作者：王险峰
高级射频工程师
祁艳阳
高级射频工程师MAXIM公司。