噪声系数的测量方法研究
噪声系数的测量方法
噪声系数的测量方法噪声系数是指放大器输入信号与输出信号之间的信噪比的比值。
在电子系统中，噪声系数是衡量放大器噪声性能的重要指标。
下面将介绍几种常用的测量噪声系数的方法。
1.级联噪声法：级联噪声法是最常用的测量噪声系数的方法之一、它利用级联放大器的总噪声系数计算出前面的放大器的噪声系数。
具体的步骤如下：a.在待测放大器之前设置一个已知的参考放大器，并测量此参考放大器的噪声系数。
b.将待测放大器与参考放大器级联，并测量级联放大器的总输入输出电压和噪声功率。
c.利用总放大器的输入输出电压和已知的参考放大器的噪声系数计算出内嵌放大器的噪声系数。
2.可变增益噪声法：可变增益噪声法是另一种测量噪声系数的常用方法。
它通过调整放大器的增益，使其与一个已知参考噪声源声压相等，从而测量出待测放大器的噪声系数。
具体的步骤如下：a.在待测放大器的输入端接入一个参考噪声源，并调整其声压使其与待测放大器的输出噪声相等。
b.测量参考噪声源的声压和待测放大器的输入输出电压。
c.利用已知的参考噪声源的噪声功率和声压计算出待测放大器的噪声功率和噪声系数。
3.热噪声法：热噪声法是一种常用的测量噪声系数的方法，特别适用于宽频带和高频段的放大器。
热噪声法利用了热噪声在环境温度下的特性，通过直接测量输出噪声电压和环境温度来计算噪声系数。
具体的步骤如下：a.测量放大器的输出噪声电压并记录。
b.测量环境温度并记录。
c.利用热噪声公式计算出放大器的噪声功率。
d.利用输入信号和已知的电阻值计算出放大器的输入信号功率。
e.利用已知的输入信号功率和噪声功率计算出放大器的噪声系数。
除了上述传统的测量方法之外，还有一些新的测量噪声系数的方法正在不断涌现，如矢量分析器法、差分噪声法、噪声大师法等。
这些方法在特定的应用场景下有着更高的测量精度和更广的测量范围。
总结起来，测量噪声系数的常用方法有级联噪声法、可变增益噪声法、热噪声法等。
根据不同的应用场景和要求，选择合适的方法来测量噪声系数，有助于评估放大器的噪声性能，进而提高信号传输的质量。
噪声系数的计算及测量方法
噪声系数的计算及测量方法（一）时间：2012-10-25 14:32:49 来源：作者：噪声系数(NF)是RF系统设计师常用的一个参数，它用于表征RF放大器、混频器等器件的噪声，并且被广泛用作无线电接收机设计的一个工具。
许多优秀的通信和接收机设计教材都对噪声系数进行了详细的说明.现在，RF应用中会用到许多宽带运算放大器和ADC，这些器件的噪声系数因而变得重要起来。
讨论了确定运算放大器噪声系数的适用方法。
我们不仅必须知道运算放大器的电压和电流噪声，而且应当知道确切的电路条件：闭环增益、增益设置电阻值、源电阻、带宽等。
计算ADC的噪声系数则更具挑战性，大家很快就会明白此言不虚。
公式表示为：噪声系数NF=输入端信噪比/输出端信噪比，单位常用“dB”。
该系数并不是越大越好，它的值越大，说明在传输过程中掺入的噪声也就越大，反应了器件或者信道特性的不理想。
在放大器的噪声系数比较低的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度(T)来表示。
噪声系数与噪声温度的关系为：T=(NF-1)T0 或NF=T/T0+1 其中：T0-绝对温度(290K)噪声系数计算方法研究噪声的目的在于如何减少它对信号的影响。
因此，离开信号谈噪声是无意义的。
从噪声对信号影响的效果看，不在于噪声电平绝对值的大小，而在于信号功率与噪声功率的相对值，即信噪比，记为S/N(信号功率与噪声功率比)。
即便噪声电平绝对值很高，但只要信噪比达到一定要求，噪声影响就可以忽略。
否则即便噪声绝对电平低，由于信号电平更低，即信噪比低于1，则信号仍然会淹没在噪声中而无法辨别。
因此信噪比是描述信号抗噪声质量的一个物理量。
1 噪声系数的定义要描述放大系统的固有噪声的大小，就要用噪声系数，其定义为设Pi为信号源的输入信号功率，Pni为信号源内阻RS产生的噪声功率，Po和Pno 分别为信号和信号源内阻在负载上所产生的输出功率和输出噪声功率,Pna表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出。
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。
噪声系数的三种测量方法及对比
。
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。
噪声系数和测量
290
(ENR F ) 1 ENR 1 F测 出 Y ，F 已 知
ENR就算出噪
2020
TH：噪声源 加电时的噪声
Y 1 E声N系R数F。
温度
F
F ENR Y 1
TN：LNA折 算到入口的噪 声温度
04
2022
Y=N2/N1
未加电 ： N1=GKT0B+Na
加电： N2=GTHNaKB+Na
到基站 电源
图5-7典型的塔顶LNA结构方框图
5.4噪声系数 测试
（1）使用噪声系数测试仪
图5-3噪声系数测试仪测试噪声系数
非变频器件
• 放大器 • 变频器件 • 本振固定中频固定 2 本振变化中频固定上/下变
频 3 本振不变中频变化上/下变
频
NFA
NFA
校准
测试
01 HP346A 03 校准 05 本振 07 测试
汇报人姓名 202X年12月20日
LNA产生的附加噪声很低
LNA
NF
噪声系数NF：
接收机
01
NIN
02
单击添加内容文本
单击添加内容文本
接收机噪声系数NF，就是信号输入信噪比，经过接收机变坏的
dB数
灵敏度S=-174+10logBW+NF+C/N C/N=(Eb/N0)+10logRb-10logBWn
Nin NOUT KT f K：0波耳兹
有耗网络的噪 声系数
S S L：传输线
i 损耗
i
曼常数 1.38×102
NFL
Ni Sout
KT0f (Si ) 1
3焦耳
/ K. HLz
低噪声放大器LNA噪声系数测试技术研究
低噪声放大器LNA噪声系数测试技术研究低噪声放大器（Low-Noise Amplifier，LNA）是一种用于增加输入信号的幅度而几乎不引入额外噪声的放大器。
在无线通信系统中，LNA被广泛使用于接收信号链路中，扮演着信号前端放大器的角色。
因此，准确评估LNA的噪声性能至关重要。
本文将介绍LNA噪声系数测试技术的研究。
首先，我们需要了解噪声系数（Noise Figure，NF）的概念。
噪声系数是评估放大器如何将噪声引入到输出信号中的指标。
它衡量了LNA引入的噪声相对于输入信号的强度。
NF的单位是dB，值越小表示LNA引入的噪声越少。
为了测试LNA的噪声系数，我们需要使用两种基本方法：热噪声法和恒压降噪声法。
热噪声法是通过将LNA输入端短路，并测量输出端的噪声功率来评估噪声系数。
此时，LNA输入端相当于接收到一个噪声功率等于室温KTB的等效噪声电源。
K是玻尔兹曼常数，T是温度，B是系统带宽。
通过测量输出端的噪声功率和输入端的噪声电源功率，可以计算出噪声系数的值。
恒压降噪声法是通过在待测LNA输入端接入一个可变噪声源，并逐渐将其噪声功率降低到一个非常小的水平，同时测量输出端的噪声功率。
通过测量不同噪声功率下的输出噪声功率以及输入噪声功率的比值，可以得到噪声系数。
除了上述两种基本方法，还有一些扩展技术可以提高噪声系数测试的准确性，例如冷电流抵消技术、矩阵法、外差法等。
这些技术可以在一定程度上消除测试中的系统误差，提高测试结果的可靠性。
为了实现LNA噪声系数的精确测试，还需要注意以下几点：首先，要选择合适的测试仪器。
噪声系数测试仪器应具备宽频带、低噪声、高灵敏度等特点。
矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，VNA）通常被广泛应用于LNA的噪声系数测试。
其次，要定制合适的测试夹具。
测试夹具应该具备低插入损耗、高隔离度和低噪声等特点，以保证测试结果的准确性。
最后，要注意测试环境的控制。
低噪声放大器LNA噪声系数测试技术研究
增刊 １
陈 广聪 等 ：低 噪 声 放 大器 Ｌ Ｎ Ａ 噪 声 系 数 测 试 技 术研 究
低 噪声放 大 器 的噪声 系数 是 非常 重要 的
本文 将对 噪声 系 数 的基本 概 念进 行介 绍
为 了选择 适 当 的仪表 来满 足测 量噪 声 系数 的要 求 ．有 必要首 先 了解 一些 测试 噪声 系数 的基 本原 理
较好 。
大 器 中过 高 的噪声 会 降低 邻道 接 收质 量 ．也就 是达
不 到 规章 对 干扰 的要 求 多年 以前 ．射 频 和微 波行 业 就建立 了一个 被称 为噪 声 系数 的参数 ．以定 量元 件 或 系统 给通过 它 的 信 号 增 加 了多 少 噪声 。 噪声 因 数 Ｆ （ Ｎ ｏ ｉ ｓ ｅ Ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ） 最 基 本 的定 义 是 哈 罗 德 ． 傅睿思在 ２ Ｏ世 纪 ４ ０年代 提 出来 的 ．他 把二 端 口网络 的噪声 因数 定 义为 输入 端 的信噪 比与输 出端 信 噪 比的 比值 嘲：
Y系数法的噪声系数测试
噪声系数的测量_DUT 测试
校准完成后， 按下面右图连接噪声源和DUT, 然后按RUN CONT 键, 最后按 Trace 键。
噪声系数的测量_DUT 测试
选择 List，测试的噪声系数，噪声温度及增益显示如下。
噪声系数的测量的不确定度
•ENR不确定度 •频谱仪噪底的不确定度 •环境温度的影响 •外部干扰信号 •失配误差 •……
Y系数法的噪声系 数测试
目录
1、噪声系数测量基本概念 2、噪声系数测试原理 3、噪声系数测试方法 （R&S FSV) 4、 噪声系数测量的不确定度
噪声系数基本概念
噪声系数基本概念
噪声系数基本概念_器件噪声
噪声系数基本概念_噪声系数
噪声系数基本概念_噪声温度
噪声系数测量基本概念_超噪比
噪声系数测量原理
噪声系数的测量的误差源_环境温度
数测量原理
噪声系数的测量步骤
第三步的手动计算记标繁琐， 可通过R&S的NF测试选件自动计算完成。
噪声系数的测量_校准
按下面右图连接好噪声源， 然后按Mode 键 并选择 Noise Figure 测试选件。
噪声系数的测量_校准
依次点击 Frequency setting, ENR setting, Loss setting ( measure setting和 display setting 用默认设置即可）， 完成相关的设置后， 然后点击cal. 不同频点的ENR的值在噪声源上可以找到。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
噪声系数的测量方法研究
作者：伍爽刘宇红
来源：《电脑知识与技术》2013年第31期
摘要：该文介绍了三种测量噪声系数的方法：增益法，Y因子法和冷源法。
重点介绍了当我们做精确测量时Y因子法的不足和冷源法的突破以及给出了这两种方法的实际测试例子。
关键词：噪声系数测试；增益法；Y因子法；冷源法
中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）31-7125-05
1 概述
随着雷达、卫星通信及无线通信技术的快速发展，器件的噪声对接收通道的影响越来越倍受产品研发人员的关注。
任何有源器件都会引入额外的噪声，从而降低系统的性能。
我们非常希望能降低和衡量噪声，而噪声系数是最常用的衡量系统噪声的值。
因此精确的测试噪声系数非常重要。
2 噪声系数的测量方法
2.1.2 增益法局限
增益法是使用较广，相对成本较低的方法。
使用信号源与频谱分析仪即可测量。
测量的最大的局限性来自频谱分析仪的噪声基底。
因为低增益、小噪声系数的被测件，其输出端的Pout（dBm/Hz）会很小，低于通常的频谱分析仪的噪底-145dBm/Hz，信号会淹没在噪声中，导致无法测量。
基本上要使用增益法准确测量噪声系数，就要满足待测系统的输出噪声密度要比频谱仪的底噪高20dB以上。
增益法只用于高增益，大噪声系数的测试。
同时频谱分析仪测试增益，真值和测试值也有一定的误差。
这是因为热噪声功率[F=KTB]中，实际的等效噪声带宽和频谱仪测试时使用的信号带宽是有偏差的。
有些频谱仪给出的修正，而有些频谱仪没有。
如HP公司的频谱仪使用频谱仪的分辨带宽乘上1.2来计算，除此之外还要加上2.5dB修正。
2.1.3 增益法可行性分析
2.2 Y因子法
2.2.1 Y因子法概念
Y因子法也称冷/热态噪声源法。
如图2所示，噪声源连接到被测放大器的输入端，放大器的输出端连接噪声接收机。
噪声源有2种状态：一种是噪声源打开时的“热态”，噪声源产生超过负载在室温环境下所产生的噪声的电噪声加到被测件（这个电噪声的量被称为超噪比）；另一种是噪声源关闭时的“冷态”，相当于一个常温的“冷源”阻抗连接到被测件的输入端。
噪声接收机分别在两种状态下测量相应的噪声功率（它们的比值[N热态N冷态]就被称为Y因子），从而可以计算出被测放大器的噪声系数。
然而，Y因子法测试时有三个限制：
1）噪声源与被测器件必须有良好的50 Ω 的匹配
在实际的测试中，因为器材所限或者要同时测量其他很多参数，都无法将噪声源和被测器件的输入端口直接相连接。
在这些情况中，测试配置中所用到的附加的电缆、适配器、开关、测试夹具、探头等都无法达到良好的50 Ω匹配，都会引入额外的损耗和反射，这些就使测量系统实际的源匹配性能变差。
如果出现了失配，从噪声源输出的噪声能量将不会被全部传输，这将引起实际增益测量的误差，进而影响整个测量的精确性。
2）噪声源的输出匹配在冷热两种状态下是不变的
实际情况则是有一些变化存在，因为噪声二极管的阻抗值在其有偏置电压和无偏置电压的条件下是不一样的。
对于超噪比大并且在二极管和输出连接器之间的衰减比较小的噪声源中，这种冷热状态的变化导致的阻抗变化会非常明显。
3）测量仪表的噪声测量接收机的噪声系数无论是与噪声源连接时还是与被测器件连接时都是一样的，即便是这两种不同的器件与接收机相连接时所呈现的源阻抗有所不同。
不过实际情况是噪声测量接收机的噪声参数将确定其噪声系数是随源阻抗的变化而变化的，这意味着第二级噪声校准应该根据被测器件的 S22 的值进行调整。
2.3 冷源法
2.3.1 冷源法概念
2.3.2冷源法校准和测量
和使用 Y 因子法测量噪声系数的方法一样，冷源法也需要一个校准步骤来表征仪表内噪声测量接收机的噪声系数和增益。
这一步骤也需要一个噪声源来完成；或者也可以使用一个功率计做扫频测量来获得接收机的有效噪声带宽。
正式测量的时候不需要功率计和噪声源。
使用矢量网络分析仪测量被测器件的增益时可以使用矢量误差校准，这样得到的增益的测量结果会比用 Y 因子法测量得到的结果更精确。
矢量校准需要对被测器件的四个 S 参数都进行测量，这需要网络仪做正向和反向两次扫描测量。
功率值也可通过网络仪测得，通过增益值和功率值就可以算出噪声系数。
2.3.3冷源法的关键技术
冷源法的一大突破就是对非50 Ω环境下噪声系数测试的修正，传统的噪声系数测量都是在50 Ω的环境下测试的。
但是实际上50 Ω的理想环境并不容易实现。
并且一个器件的噪声系数会随着呈现在被测器件输入端的源阻抗的变化而改变，而噪声参数就是反应这个变化的值。
噪声参数的测量如图5所示，在这个史密斯图中心位置上的小方块是我们希望对被测器件的噪声系数进行测量的地方，这里对应的是非常理想的50 Ω 源阻抗。
不过，测量系统往往不能够提供理想的50 Ω 的匹配。
因此，我们特意使用一组非50 Ω 的阻抗值（我们知道这些阻抗的精确值）来测量噪声系数。
4 具体测试举例
4.1 低噪声放大器的测试
在这个例子中我们是把噪声源直接与被测放大器进行连接，可以看出使用冷源法进行测量得到的不确定性也要比使用Y因子法和增益法测量的不确定性明显地小（冷源法测量结果的不确定性为0.2dB，Y因子法为0.5dB，增益法为0.75dB）。
4.2 半导体裸片上的低噪声放大器的测试
图7是对半导体裸片上当低噪声放大器还没有被封装时进行测量的结果进行不确定性分析的例子（所用低噪声放大器指标同上例）。
在这种测量应用中噪声源是无法直接与被测放大器进行连接的，必须得用测量电缆和探针与半导体裸片上的器件进行连接。
从图中可以看到，用冷源法进行测量的结果的不确定性会因为探针的损耗而有所增加，当测量频率超过 24 GHz 的时候，这种不确定性的增加比较明显。
但是，与使用 Y 因子法和增益法进行测量的不确定相比，冷源法测量结果中的不确定性还是很小的。
同时，对比图6和图7可以发现，同样的放大器与噪声源直接相连与否将明显影响到Y因子法测试的不确定度（直接相连时测量不确定度为0.5dB，通过探针相连时不确定度为
0.75dB）。
5 结束语
在本篇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。
参考文献：
[1] 唐宗魁.噪声系数测量方法[J].科技信息，2008（19）.
[2] 宋青娥.一种减小噪声系数测量不确定度的方法[J].国外电子测量技术，2008，27（7）.
[3] 熊邦宏.基于噪声系数的Y因数法测量探讨[J].电子质量2012（3）.
[4] 解冰，董磊.噪声系数的三种测量方法及对比[J].黑龙江科技信息，2008（10）.
[5] 王瑛，朱祥维，王飞雪.一种新的噪声系数测量方法[J].电子学报，2005，33（6）.
[6] 安捷伦科技有限公司. Noise Figure Measurement Accuracy-The Y-Factor Method.
[7] 安捷伦科技有限公司. 使用PNA-X系列矢量网络分析仪精确地测量噪声系数.。