噪声系数定义和三种噪声系数测量方法

噪声系数定义

信噪比 (Signal-to-Noise Ratio - SNR) 是衡量射频信号能否与噪声区分开来以及区分难易程度的重要指标,见图1。

任何电气系统或子系统，包括无线电接收机，都会降低信噪比 (SNR)，这种降低程度可以通过输入和输出信噪比的噪声系数比来量化。用于计算噪声系数的信噪比测量始终在 290 K 的标准温度下进行。

电气系统

噪声系数(Noise Figure - NF)衡量的是设备或通信系统对信号信噪比 (SNR) 的降低程度。噪声系数越低，性能越好，意味着设备在信号传输过程中引入的噪声越少。它是接收器和其他通信组件设计中的关键参数，确保信号清晰可辨，避免语音质量差、误码率高或雷达探测距离受限等问题。它以分贝 (dB) 为单位，是评估射频和微波元件灵敏度和性能的关键参数。

信噪比：噪声系数定义为输入信号信噪比与输出信号信噪比之比。
性能下降的度量：它量化了信号在设备或系统中传输时信噪比的降低程度。
以分贝 (dB) 表示：噪声系数的分贝值越低，性能越好。
理想与实际的比较：它将实际系统与理想的无噪声系统进行比较。

噪声因子和噪声系数

噪声因子 (Factor - F) 是输入信噪比 (SNR) 与输出信噪比的线性比值：

F = (Sᵢ/Nᵢ) / (Sₒ/Nₒ)

噪声系数 (NF) 是以对数形式表示的噪声因子：

NF = 10 log₁₀(F)

其中：
Sᵢ：输入信号功率
Nᵢ：输入噪声功率
Sₒ：输出信号功率
Nₒ：输出噪声功率

示例

如果接收机的参数为：

输入信噪比 (SNR) = 20 dB
输出信噪比 (SNR) = 15 dB

则：

F = 10^((20 − 15)/10) = 3.16
NF = 10 log₁₀(3.16) ≈ 5 dB

噪声系数主要应用领域

无线和卫星通信：确定接收机灵敏度

微波工程：在低噪声放大器 (LNA) 设计中至关重要

雷达系统：有助于探测微弱的反射信号

射电天文学：能够观测低强度宇宙信号

电子仪器：表征测量设备的内部噪声特性

什么是理想的噪声系数？

对于典型频谱分析仪，其**噪声系数通常在 6 到 30 dB 之间，数值越小性能越好。

为什么以及何时使用噪声系数？

噪声系数是处理小信号时的一个关键系统参数，它通过量化附加噪声来帮助我们进行比较。知道噪声系数的值后，我们可以根据系统的带宽计算其灵敏度。

需要注意的是，系统的噪声系数与其增益是相互独立的。一旦噪声被添加到信号中，后续的增益级会以相同的幅度放大信号和噪声，这不会改变信噪比 (SNR)。

下图 2.a 显示了放大器的输入信号，其峰值比噪声基底高 40 dB；图 2.b 显示了输出信号。增益将信号和噪声水平都提高了 20 dB，并引入了自身的噪声。因此，输出信号的峰值现在仅比噪声基底高 30 dB。由于信噪比下降了 10 dB，因此该放大器的噪声系数为 10 dB。

图 2. 放大器输入端 (a) 和输出端 (b) 的信号示例。请注意，由于放大器电路引入的噪声，噪声电平的上升幅度大于信号电平。信号和噪声的这种变化即为放大器的噪声系数。

通过控制系统组件的噪声系数和增益，射频设计人员可以直接控制整个系统的噪声系数。一旦确定了噪声系数，就可以根据系统带宽轻松估算系统灵敏度。

噪声源的位置

悬而未决的问题：影响噪声系数的系统噪声源在哪里？大多数噪声是由电气设备中常见的现象引起的自发波动，这种噪声通常较为平坦。我们对这种噪声进行测量以表征噪声系数。这些噪声源主要分为两类：热噪声和散粒噪声。

另需注意：在噪声系数测量中，部分功率可能并非噪声，而是某种干扰。因此，必须警惕并防范这种情况，在屏蔽室内进行测量，以确保我们只测量所需的自发噪声。

噪声系数测量可以使用信号分析仪、噪声源和专用噪声系数测量应用程序进行。

图 3. 使用信号分析仪、噪声源和专用噪声系数测量应用程序对被测器件 (DUT) 进行噪声系数测量所需的两个步骤概览。

测量噪声系数最常用的方法是 Y 因数法，该方法包含两个步骤：校准和 DUT 的噪声系数测量。首先，将噪声源连接到信号分析仪的前端，对信号分析仪进行校准。在第二步中，将 DUT 连接到信号分析仪的前端，并将噪声源连接到 DUT 的输入端——此时，信号分析仪的噪声系数测量应用程序即可对 DUT 的噪声系数进行表征。

在无线通信系统中，噪声系数 NF或者噪声因数(F)一般用来定义射频系统的性能和对接受灵敏度的贡献。
噪声系数/噪声因数是射频系统噪声性能的重要特征，噪声系数为：

从这个定义可以推导出很多常用的噪声系数(噪声因数)公式和测试方案。