噪声系数与噪声系数测量方法

一、什么是噪声系数（noise figure,NF）？

现代接收系统必须处理一些非常微弱的信号，而系统本身的组件产生的噪声往往会让这 些微弱的信号更模糊。灵敏度、误码率和噪声系数都是表示处理低电平信号能力的系统参数。 这些参数中，噪声系数是很特殊的，因为噪声系数不仅仅用于表征整个系统，而且还用于表 征一些组成系统的组件，比如前置放大器，混频器和中频放大器。工程师通过控制系统组件 的噪声系数与增益值，就可以直接控制整个系统的噪声系数。一旦噪声系数已知，那么就可 以通过系统带宽估测系统灵敏度。

根据IEEE的噪声系数定义: The noise factor, at a specified input frequency, is defined as the ratio of (1) the total noise power per unit bandwidth available at the outputport when noise temperature of the input termination is standard (290K) to (2) that portion of (1) engendered at the input frequency by the input termination

可以理解为，当输入噪声功率为 290K（17℃）温度下的负载所产生的最大功率情况下，输入信噪比和输出信噪比的比值。

二、噪声系数如何计算？

由上可知，噪声系数（noise figure,NF）定义为元件或系统输入信噪比（signal noise ratio,SNR）和输出信噪比之间的比值，噪声系数是一个大于 1 的数，也就是说信号经过系统 后信噪比是恶化了。噪声系数是射频电路的关键指标之一，它决定了接收机的灵敏度，影响 着模拟通信系统的信噪比和数字通信系统的误码率。无线通信和卫星通信的快速发展对器 件、子系统和系统的噪声性能要求越来越高。

输入信噪比：SNR input=Pi/Ni

输出信噪比：SNR output=Po/No

噪声系数：F = SNRinput/SNRoutput  通常用  dB  来表示 NF= 10Log(F)

假设放大器是理想的线性网络，内部不产生任何噪声。那么对于该放大器来说,输出的 功率 Po   以及输出的噪声 No 分别等于 Pi*Gain 以及 Ni*Gain。这样噪声系数=(Pi/Ni)/(Po/No)=1。

但是现实中，任何放大器的噪声功率输出不仅仅有输入端噪声的放大输出，还有内部自身的 噪声(Na)输出，下图为 DUT 上的 SNR input 与 SNR output 图形表示。

图1-待测件输入与输出信噪比

三、如何测试噪声系数？

噪声系数指标是有源器件的关键指标，噪声系数的测试变得越来越广泛和重要。噪声系 数测试主要有三种测试方法，第一种方法是只使用频谱仪的增益法，这是一种简化的方法， 不需要噪声源，被测件的增益已知并且非常高时才可使用；第二种方法是使用噪声源和频谱 仪测试的 Y 因子法，该测试方法相对简单，经过校准可以达到相当高的测量精度；第三种 方法是使用矢量网络分析仪的冷源法，该方法对测试条件要求较高，满足条件时测试精度非 常高，并且可以一次连接完成几乎所有指标的测试，测试效率非常高。

意的是这种测试方法没有从测试结果中消除频谱仪自身噪声带来的影响。

3.1增益法

增益法测试噪声系数只需要使用频谱仪就是根据噪声系数的定义直接进行测试，需要注意的是这种测试方法没有从测试结果中消除频谱仪自身噪声带来的影响。

NF(dB)= (Pi * No)/(Ni* Po)

根据噪声系数定义Ni=KT0B=-174dBm/Hz，Po/Pi=Gain，N0为总的输出噪声NF(dB)=N0(dBm/Hz)+174(dBm/Hz)-Gain因此在测量的时候只需要在放大器的输入端接上50ohm负载，利用频谱分析仪测量输 出的噪声谱密度。

图2-放大器直接测试法连接示意图

3.2 Y因子法（Y系数法、冷热源法）

图3放大器Y因子法连接示意图

Y因子法测试噪声系数需要用到噪声系数分析，或者带有噪声系数选件的频谱仪搭配噪声源，通常噪声源采用雪崩二极管制作而成，在噪声源关闭的情况下，噪声源给DUT提供了一个室温下的阻抗端接，称之为冷态Tsourceoff，在二级管加电的情况下，噪声源工作在热态TsourceON，雪崩效应产生大量的超噪声，也就是相对于冷态的额外噪声，超噪声的量通常用超噪比ENR（Excess noise ratio）表示，根据DUT的噪声系数不同，可以选择不同ENR的噪声源

图4-Y因子法变量关系图

通过给噪声施加不同的供电电压(0V/28V)，在被测器件的输出端口得到两个噪声功率的测量结果，分别叫做冷态功率（Noff）与热态功率（Non），这两个测量结果的比值称为Y因子。

通过两次测量结果确定噪声功率与噪声温度的线性函数，该线性函数的斜率可以测出被测器件的增益值，而与Y轴的交点可以确定被测器件增加的额外噪声

图5-Y因子法测噪声系数

在增益法中我们提到过，由于频谱仪本身存在噪声，所以会对总测量结果产生影响，在Y因子法中，通过测试前校准，可以从总噪声系数中去除去除频谱仪自身噪声系数对测试引入的影响。

3.3冷源法

图6-放大器冷源法连接示意图

冷源法需要用到的仪器是矢量网络分析仪，其通过在冷态下测量DUT的输出噪声功率，再测试到DUT的增益，然后求解噪声系数的方法。

图7-冷源法测噪声系数

冷源法可以在测量DUT噪声系数的同时测得其他的特性参数（S参数、增益压缩、三阶交调等），因为在测试过程中被测件的输入端始终在室温条件下，即冷端接，所以被这种方法称为冷源法。

冷源法测量噪声系数的数学依据完全来自IEEE噪声系数定义，也可以称作为直接测量法。

因为矢量网络分析仪经过二端口矢量误差修正后，能够准确的测量出被测件的增益，由此通过冷源法可以得到比Y因子法更准确的测量结果。

四、选择哪种方法？

那么到底什么时候选择Y因子法，什么时候选择直接测试法？什么时候选择冷源法呢？下表主要描述在各个场合下适合于选择哪种测量方式。