噪声系数的测量方法有哪些？

这里我将详细阐述噪声系数这个重要的参数及其测量的三种方法：增益法、Y因数法和噪声系数分析仪法。

噪声系数的测量方法应随着应用的不同而不同。从上面的图表可看出，有些应用具有高增益和低噪声系数特性 (低噪声放大器LNA在高增益模式下)，有些应用则具有低增益和高噪声系数特性 (混频器和LNA在低增益模式下)，有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分析仪法和其他两个方法：增益法和Y因数法。

噪声系数分析仪

噪声系数分析仪的测试配置图如下所示：

Figure 1

什么是噪声系数分析仪？

噪声系数分析仪测量待测器件的噪声信号输出功率。由于分析仪已知噪声源的输入噪声和信噪比，待测物的噪声系数通过内部计算后，在屏幕上显示结果。

噪声系数分析仪是完全针对噪声系数应用的仪器，仅用于测量噪声系数、增益和相关量。与频谱分析仪及其它仪器相比，噪声系数分析仪更快，更易用、精度更高、频率范围更宽。因此是得到所可能最好不确定度的最高端的选择，特别是对于 3GHz 以上频率。

噪声系数分析仪的噪声源产生宽带白噪声驱动待测器件DUT。噪声系数分析仪测量待测器件的噪声信号输出功率。由于分析仪已知噪声源的输入噪声和信噪比，待测物的噪声系数通过内部计算后，在屏幕上显示结果。
对于混频器件的测试，可能需要本振LO信号，如Figure 1所示。当然，测量之前必须在噪声系数分析仪中设置待测物的相关参数，如频率范围、应用(放大器/混频器)等。
使用噪声系数分析仪是测量噪声系数最简单的方法，而且在大多数情况下也是最准确地。工程师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。当然，分析仪也有一些缺陷： 每种分析仪都有频率限。另外，当测量很高的噪声系数时，例如噪声系数超过10dB，测量结果可能会不准确。

什么是增益法？

除了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，但是在某种特定的条件下，这些方法可能更加准确。其中一个常用的方法是“增益法”。

增益法的测试原理

增益法的测试原理是基于噪声因数的定义：

在这个定义中，噪声由两个因素产生。一种是外部输入射频系统的干扰噪声信号；第二种是射频系统因为输入的载波信号而产生的随机噪声。

一般来说，第二种噪声是布朗运动的结果，由于电子器件中的热平衡而产生，所以它的噪声功率为可用以下公式来表示：
PNA = kTΔF
k 波尔兹曼常量(1.38 * 10-23焦耳/ΔK)
T 温度，单位为开尔文
F 噪声带宽(Hz)
在室温(290ΔK)时，噪声功率谱密度PNAD = -174dBm/Hz。
所以 NF = PNOUT - (-174dBm/Hz + 20 * log10(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是噪声带宽；增益是系统的增益；NF是DUT的噪声系数；公式中的每个变量均为对数指数。简化公式后，我们可以直接计算出输出噪声功率谱密度(dBm/Hz)：
NF = PNOUTD + 174dBm/Hz - 增益
用增益法测量噪声系数，待测物的增益需要预先确定的。另外，待测物的输入需要连接相应的特性阻抗 (例如：射频电路使用50Ω，视频/电缆使用75Ω)。这样，可使用频谱分析仪来测量输出噪声功率谱密度。
增益法测量噪声系数的配置图如图所示：

Figure 2
Figure 2 配置图是用来测量MAX2700 Receiver System的噪声系数。在指定的LNA增益设置和VAGC下测量得到的增益为80dB；接着，当射频输入端用50Ω负载短接。

频谱仪上测出的噪声功率谱密度为 -90dBm/Hz；为了获得稳定和准确而选择的最优RBW (分辨率带宽)与VBW (视频带宽)比值为 RBW/VBW = 0.3。

所以，可以计算得出的NF为：
-90dBm/Hz + 174dBm/Hz - 80dB = 4.0dB
只要频谱分析仪的频率允许，增益法可适用于任何频率范围内。它的最大限制来自于频谱分析仪的本底噪声。在计算公式中可以看到，当噪声系数较低时 （比如小于10dB），POUTD - 增益的数值讲接近于-170dBm/Hz；通常LNA的增益大约为20dB，这样我们必须测量大约为 -150dBm/Hz的噪声功率谱密度，这个噪声功率将低于大多数频谱仪的本底噪声功率，就无法被准确测量出来。
所以，增益法比较适用于增益高的射频系统，或者待测物的噪声系数非常高 (比如高于30dB)的场景.

什么是Y因数法？

Y因数法是另外一种常用的测量噪声系数的方法。

测试的配置图如图 Figure 3 所示：

Figure 3
Y 因数法需要一个配有超噪比ENR的噪声头， 噪声头通常需要高电压的直流电源来额外供电。这些噪声头能够产生非常宽频谱的白噪声而且噪声头在相应的频率点有准确的噪声系数参数 （如下表给出具体的数值）。通过这些参数，我们就可以通过外推法来计算相应频率上的噪声系数。

通过开关直流电源来开启或者关闭噪声头的信号，从而使用频谱分析仪来测量输出噪声功率谱密度的变化。

计算噪声系数的公式为：

在这个公式种，超噪比ENR为表1给出的值，通常噪声头的NF值会直接标明；Y是输出噪声功率谱密度在噪声源开启和关闭时的差值。
另外，假设噪声头超噪比为 ENR，标准冷噪声温度为 290K，TH是直流电压供电时的噪声温度，根据超噪比定义可得到下面等式：

所以在冷温度T = 290°K时与在热温度T = TH时待测物DUT功率输出比为：
Y = G(Th + Tn)/G(290 + Tn) = (Th/290 + Tn/290)/(1 + Tn/290)
这就是Y因数法，它的名字就是来源于这个等式。
根据噪声系数定义，F = Tn/290+1，F是噪声因数NF = 10 * log(F)，所以得出，Y = ENR/F+1。在这个公式中，所有变量都是线性变化，于是就可得到上面的噪声系数公式。
我们同样用MAX2700作为待测物，来演示如何使用Y因数法测量噪声系数。
测试配置图见Figure 3:
连接HP346A噪声源 噪声头到待测物的射频输入端RF Input；
连接28V直流电压电源到噪声头的输入端；
为了获得稳定和准确的噪声功率谱密度读数，频谱仪的RBW/VBW比设置为0.3。
然后，用频谱仪来测试输出噪声功率谱密度。
通过开/关直流电源，噪声谱密度从-90dBm/Hz变到-87dBm/Hz。可以得出Y = 3dB。
另外，从表1可以得到，在2 GHz时ENR = 5.28dB。
所以，根据公式， 我们可以计算NF的值为 5.3dB。