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淺析AGC電路噪聲系數(shù)的測(cè)試

2020-01-02 來源：微波射頻網(wǎng) 作者：Knight 字號(hào)：大中小

對(duì)于噪聲系數(shù)測(cè)試，多數(shù)情況下會(huì)選擇Y因子方法測(cè)試，但是當(dāng)待測(cè)件包含自動(dòng)增益控制電路(AGC)時(shí)，Y因子方法受到一定的限制。因?yàn)楫?dāng)噪聲源在打開、關(guān)閉兩種狀態(tài)時(shí)，AGC電路會(huì)自動(dòng)調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)的增益，從而保證輸出的電平恒定，此時(shí)使用Y因子方法測(cè)得的結(jié)果已經(jīng)無(wú)法反映待測(cè)件真實(shí)的噪聲系數(shù)。那么如何進(jìn)行有效的測(cè)試呢？這就是本文將要詳細(xì)介紹的內(nèi)容。

眾所周知，AGC電路具有一定的起控范圍，只有輸入電平落入該范圍內(nèi)，才能夠正常地作自動(dòng)增益控制。如果噪聲源打開、關(guān)閉兩種狀態(tài)下，輸入至AGC電路的信號(hào)功率在其起控范圍之外，則AGC電路的工作狀態(tài)并不發(fā)生變化，此時(shí)依然可以使用Y因子法測(cè)試。

對(duì)于接收機(jī)通道模塊，往往增益非常高，所以噪聲源的開和關(guān)可能使得AGC電路能夠進(jìn)行自動(dòng)增益控制，此時(shí)可以使用如下兩種方法測(cè)試噪聲系數(shù)。

(1) 將AGC電路固定在一個(gè)狀態(tài)，即無(wú)論輸入信號(hào)是否變化，待測(cè)件的增益是固定的。此時(shí)可以使用Y因子法測(cè)試，而且可以測(cè)試不同增益狀態(tài)下的噪聲系數(shù)！該方法優(yōu)勢(shì)在于，可以使用自動(dòng)噪聲系數(shù)測(cè)試功能，能夠快速測(cè)試不同頻率下的噪聲系數(shù)。

(2) 基于增益法測(cè)試噪聲系數(shù)，適用于不便于控制AGC增益狀態(tài)的待測(cè)件。為了保證AGC的增益在測(cè)試過程中不改變，可以使用外部信號(hào)源給待測(cè)件提供一個(gè)功率恒定的CW信號(hào)，同時(shí)測(cè)試待測(cè)件的增益和輸出噪聲功率。為了使得CW信號(hào)的相噪不影響測(cè)試結(jié)果，建議CW信號(hào)電平設(shè)置小一點(diǎn)，且讀取一定頻偏處(相對(duì)于CW信號(hào))的噪聲功率。該方法需要手動(dòng)操作，有一定的工作量，但不需要噪聲源。

第一種方法比較簡(jiǎn)單，依然使用Y因子法測(cè)試。下面主要介紹第二種方法的操作步驟和注意事項(xiàng)。為方便起見，除非特殊說明，下文涉及的待測(cè)件均指包含AGC電路的待測(cè)件。

圖1、增益法測(cè)試AGC電路噪聲系數(shù)等效框圖

圖1給出了增益法測(cè)試噪聲系數(shù)的連接框圖，假設(shè)輸入端的噪聲功率為N_in，則輸入、輸出噪聲功率滿足如下關(guān)系

N_out=N_in?G+kBT_e?G

如果輸入噪聲功率為kBT₀(T₀=290K)，則上式可以簡(jiǎn)化為

N_out=kBT₀?F?G

根據(jù)上式，若增益G和輸入噪聲功率N_in已知，便可以計(jì)算出待測(cè)件的噪聲系數(shù)。需要注意，G為待測(cè)件與頻譜儀總的增益，且求解出的F為待測(cè)件與頻譜儀總的噪聲因子。傳統(tǒng)的增益法由于不會(huì)消除頻譜儀自身引入的影響，因此適用于噪聲系數(shù)較大且增益較高的待測(cè)件。下面介紹的方法，能夠修正頻譜儀自身噪聲系數(shù)引入的影響。

由于頻譜儀是經(jīng)過內(nèi)部校準(zhǔn)的，因此可以認(rèn)為其增益為1，那么如果要求解待測(cè)件本身的噪聲系數(shù)，則需要如下三步：① 測(cè)試待測(cè)件的增益；② 確定輸入噪聲功率N_in；③ 確定頻譜儀本身的噪聲系數(shù)。

待測(cè)件增益的測(cè)試，首選使用矢網(wǎng)，那么對(duì)于該測(cè)試，是否適合使用矢網(wǎng)？

由于待測(cè)件包含AGC電路，使用矢網(wǎng)測(cè)試其增益本身沒有什么問題，但是在該測(cè)試中，如果要得到正確的測(cè)試結(jié)果，需要保證使用矢網(wǎng)測(cè)試增益時(shí)與采用圖1方式測(cè)試噪聲系數(shù)時(shí)的AGC狀態(tài)相同，即保證增益狀態(tài)不變。

更簡(jiǎn)便的方法，直接使用圖1的裝置確定待測(cè)件的增益，直接比較是否連接DUT兩種情況下的輸出功率即可確定DUT的增益。

通常所說的增益法測(cè)試噪聲系數(shù)，在待測(cè)件輸入端連接50Ohm匹配負(fù)載，可以認(rèn)為輸入噪聲功率為kBT₀(假設(shè)室溫為T₀)。如果按照?qǐng)D1所給的裝置測(cè)試，還能認(rèn)為待測(cè)件的輸入噪聲功率為kBT₀嗎？

不能再認(rèn)為輸入噪聲功率為kBT₀，因?yàn)樾盘?hào)源輸出CW信號(hào)時(shí)，也附帶著一定的噪聲功率，該噪聲功率要大于kBT₀，因此可以將信號(hào)源等效為如圖2所示的電路，包含一個(gè)理想的信號(hào)源和一個(gè)等效的放大器，等效增益和噪聲因子分別為G_S和F_S。理想信號(hào)源輸出CW信號(hào)的同時(shí)，也附帶輸出kBT₀的噪聲功率，圖中N_in為饋入DUT的噪聲功率。

圖2、信號(hào)源等效電路

如何確定信號(hào)源輸出的噪聲功率呢？

分別使用頻譜儀的RMS檢波器和AVG檢波器測(cè)試CW信號(hào)功率，二者之差即為信號(hào)源輸出的噪聲功率與頻譜儀本身產(chǎn)生的噪聲功率之和N_SG&SA。假設(shè)頻譜儀的增益和等效噪聲溫度分別為G_SA和T_SA，則滿足如下關(guān)系：

N_SG&SA=N_in?G_SA+kBT_SA?G_SA

可以認(rèn)為頻譜儀的增益為1 ，而頻譜儀本身的噪聲系數(shù)也可以確定，于是可以求出信號(hào)源輸出的噪聲功率N_in。

如果使用這種方式，建議信號(hào)源輸出的CW信號(hào)功率不要太強(qiáng)，且使用頻譜儀測(cè)試時(shí)，建議RBW設(shè)大一些，比如5MHz。

除了使用RMS和AVG檢波器的方法外，還可以直接讀取偏離CW信號(hào)一定頻偏處的噪聲功率作為N_SG&SA。該方法要求CW信號(hào)的相噪要非常小，不能影響讀取結(jié)果。

以上確定了待測(cè)件的輸入噪聲功率，下面按照?qǐng)D1連接DUT進(jìn)行測(cè)試，待測(cè)件輸出噪聲功率的確定也可以按照上述方法。使用頻譜儀不同的檢波器，或者直接讀取偏離CW信號(hào)一定頻偏處的噪聲功率。

確定待測(cè)件輸入和輸出噪聲功率后，便可以求出待測(cè)件與頻譜儀總體的噪聲因子，最后根據(jù)噪聲因子級(jí)聯(lián)公式，求出待測(cè)件本身的噪聲因子。

為了便于對(duì)上述內(nèi)容的理解，下面介紹一個(gè)測(cè)試實(shí)例，實(shí)例中采用的是頻偏法確定信號(hào)源輸出噪聲功率和DUT輸出噪聲功率。DUT是一個(gè)接收機(jī)通道，包含前端低噪放、鏡頻抑制混頻器、中頻濾波器及AGC電路，通道的相關(guān)參數(shù)如下：

RF freq.：1345MHz~1380MHz
LO freq.：1385MHz
IF freq.：5MHz~40MHz
通道最大增益達(dá)90dB
AGC提供40dB的動(dòng)態(tài)范圍
AGC的起控范圍為-120~-80dBm (按射頻輸入功率)

使用外部信號(hào)源給DUT提供一個(gè)-100dBm的CW信號(hào)，如果要測(cè)試DUT在輸出中頻頻率為15MHz對(duì)應(yīng)的噪聲系數(shù)，因?yàn)椴捎妙l偏法測(cè)得噪聲功率，所以需要將CW信號(hào)頻率設(shè)置為1358MHz，而不是1370 MHz。

首先測(cè)試了待測(cè)件的增益為86dB；然后確定信號(hào)源輸出的噪聲功率，在信號(hào)源輸出CW信號(hào)的同時(shí)，觀察1370MHz處的噪聲功率，如圖3所示，RBW為100kHz時(shí)的噪聲功率為-117.2dBm。

為了正常計(jì)算，還需要確定頻譜儀等效噪聲溫度T_SA：圖3右圖給出打開預(yù)放時(shí)，在射頻段的噪聲功率譜密度為-167.32dBm/Hz，對(duì)應(yīng)的噪聲系數(shù)為6.68dB。根據(jù)噪聲因子與等效噪聲溫度的關(guān)系，便可以求出對(duì)應(yīng)的噪聲溫度，代入以上公式求得的信號(hào)源輸出噪聲功率為0.45 x 10^-12 mW。