1、噪聲的定義

噪聲系數(shù)是度量被測件（DUT）在射頻信號(hào)通過時(shí)主要由于器件中的電子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)附加到信號(hào)上的雜亂信號(hào)，為了衡量這種惡化程度，引入噪聲因子F（Noise Factor）和噪聲系數(shù)NF（Noise Figure）的概念，也就是說噪聲系數(shù)量化了DUT降低信號(hào)的信噪比的程度；

圖1.1 有用信號(hào)經(jīng)過DUT前后的信噪比變化

Noise Factor: F = SNR_IN/SNR_OUT

Noise Figure: FdB = 10lg(SNR_IN/SNR_OUT)

在射頻收發(fā)鏈路中，通常接收機(jī)鏈路尤其關(guān)注噪聲系數(shù)，因?yàn)檫@決定了接收機(jī)的靈敏度，噪聲系數(shù)越低，接收靈敏度越高；從應(yīng)用的角度講，接收機(jī)噪聲系數(shù)對(duì)雷達(dá)和軍民用通信系統(tǒng)至關(guān)重要，高的NF是限制雷達(dá)最遠(yuǎn)探測距離的最主要因素；

2、噪聲的測試原理

2.1 兩種噪聲測量方法

2.1.1 Y 因子法

Y因子法測量噪聲系數(shù)需要設(shè)備包含頻譜儀和標(biāo)準(zhǔn)ENR的噪聲源，通過打開和關(guān)閉噪聲源電源（28V DC）使其置冷和置熱，從而測到兩種狀態(tài)下的總功率，從而算出DUT本身的噪聲；

圖2.1  Y因子法測量噪聲原理圖

圖2.2  Y因子法測量噪聲的計(jì)算方法

圖2.3 連接示意圖(a)校準(zhǔn)步驟(b)測量步驟

進(jìn)行測量的三個(gè)主要步驟

1). 校準(zhǔn)測試設(shè)備的噪聲系數(shù)；
2). DUT與設(shè)備級(jí)聯(lián)并測量；
3). 計(jì)算噪聲系數(shù)；

選擇噪聲源和頻譜儀的幾點(diǎn)注意：

1). 校準(zhǔn)過程中要求打開和關(guān)閉噪聲源之間的差異至少為3dB,因此我們必須選擇ENR至少比頻譜分析儀的噪聲系數(shù)大3dB的噪聲源，即：

ENR > NF_SA + 3dB

2).測量過程中要求打開和關(guān)閉噪聲源之間的差異至少為5dB，因此我們必須選擇ENR至少比DUT的噪聲系數(shù)大5dB的噪聲源，即：

ENR > NF_DUT + 5dB

3).為解決測量和校準(zhǔn)步驟之間的差異提出的，要求校準(zhǔn)和測量步驟之間的差異至小于為1dB，這可以通過選擇頻譜分析儀和前置放大器來實(shí)現(xiàn)，以使DUT的NF+增益至少比頻譜分析儀的NF高1dB。

NF_DUT + Gain_DUT > NF_SA + 1dB

如果做到以上三點(diǎn)，Y因子法測到的NF數(shù)據(jù)才是可信的；

2.1.2 冷源法（增益法）

DUT的輸出噪聲絕對(duì)功率是DUT的增益對(duì)DUT的固有噪聲進(jìn)行放大后的結(jié)果，如果可以精確地測得放大器的增益，那么就可以從測量結(jié)果中把經(jīng)放大的輸入噪聲扣除，由此就計(jì)算出噪聲系數(shù)，因此測量DUT的增益測量至關(guān)重要，因此冷源法又稱增益法。

冷源法是使用信號(hào)分析儀來測量DUT的增益和輸出噪聲絕對(duì)功率，如圖2.4所示。

圖2.4 使用冷源方法需要端接DUT的輸入端

冷源法通常對(duì)高增益的LNA最為有效，因?yàn)閷?duì)于明顯高于信號(hào)源本底噪聲的信號(hào)來說，信號(hào)分析儀能夠有效的測量出來。

同Y因子法一樣，冷源法需要校準(zhǔn)表征儀器內(nèi)部噪聲接收機(jī)的噪聲系數(shù)和增益，校準(zhǔn)需要一個(gè)噪聲源來完成，或者也可以使用功率計(jì)做掃頻測量來確定接收機(jī)的有效噪聲帶寬。

圖2.5 冷源法測噪聲系數(shù)的計(jì)算方式

圖2.5是輸出噪聲功率與輸入噪聲功率的關(guān)系圖，可以單獨(dú)測量DUT的增益而得到這條直線的斜率，然后只需進(jìn)行一次功率測量就能確定這條直線和Y軸的交點(diǎn)，從而確定該直線在圖中的位置，這樣就可以推導(dǎo)出DUT的噪聲系數(shù)。

圖2.6矢網(wǎng)冷源法測量NF的系統(tǒng)框圖

整個(gè)校準(zhǔn)由三個(gè)步驟組成

1). 把噪聲源連接到矢網(wǎng)端口2

測量冷熱兩種狀態(tài)下的噪聲功率
測量冷熱兩種狀態(tài)下噪聲源的匹配

2). 連接直通件(在端口1和端口2之間)

測量0、15、30 dB 三種設(shè)置狀態(tài)下增益的差異
測量噪聲接收機(jī)的負(fù)載匹配
測量用作阻抗調(diào)諧器的電子校準(zhǔn)件的Γs

3). 連接電子校準(zhǔn)件(在端口1和端口2之間)

測量常規(guī)S 參數(shù)的誤差項(xiàng)
用電子校準(zhǔn)件測量在不同Γs的條件下接收機(jī)的噪聲功率(不使用調(diào)諧器)

3、總結(jié)

	應(yīng)用場景	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)
Y因子法	寬帶NF測量	無論增益如何，都能在任何頻率下測量NF；	測量大噪聲時(shí)，誤差較大；
冷源法	高增益或高噪聲DUT測量	操作簡單，儀器設(shè)置簡單； 適合任何頻段DUT測試； 測量大噪聲DUT非常準(zhǔn)確；	受限于頻譜儀的限制，無法測量低增益或低噪聲DUT; 易受電壓駐波比（VSWR）不確定性的影響；