噪聲系數(shù)測量的三種典型方法

1 引言

噪聲系數(shù)是微波產(chǎn)品研制和生產(chǎn)過程中的一項(xiàng)主要測量參數(shù)，是表征接收機(jī)及其組成部件在有熱噪聲存在的情況下處理微弱信號能力的關(guān)鍵參數(shù)之一，噪聲系數(shù)的計量測試更是噪聲計量測試的重要內(nèi)容。

在工程上定義噪聲因子(F)為若線性兩端口網(wǎng)絡(luò)具有確定的輸入端和輸出端，且輸入端源阻抗處于290。K(室溫)時，網(wǎng)絡(luò)輸入端信號噪聲功率比與網(wǎng)絡(luò)輸出端信號噪聲功率比的比值。

其中， Si為輸入信號功率，Ni為輸入噪聲功率，So 為輸出信號功率，No為輸出噪聲功率，G為兩端口網(wǎng)絡(luò)增益，Na為兩端口網(wǎng)絡(luò)本身的噪聲功率。

它明確地表明了由于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生噪聲，使網(wǎng)絡(luò)輸入端信噪比經(jīng)過該網(wǎng)絡(luò)傳輸后信噪比惡化的倍數(shù)，也就是傳輸網(wǎng)絡(luò)對其輸出端總噪聲功率貢獻(xiàn)的大小。噪聲系數(shù)(NF)為噪聲因子的對數(shù)表達(dá)形式，定義如下：

可重復(fù)的、高精度的噪聲系數(shù)測量方法是非常重要的，本文討論其中三種典型方法：噪聲測試儀法、增益法和Y系數(shù)法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Y系數(shù)法的準(zhǔn)確度。

2 噪聲測試儀法

使用噪聲測試儀是測量噪聲系數(shù)最直接方法，在大多數(shù)情況下也是最準(zhǔn)確的。工程師可在特定的頻率范圍內(nèi)測量噪聲系數(shù)。噪聲測試儀能夠同時顯示增益和噪聲系數(shù)來幫助測量。噪聲測試儀的測試原理圖如圖1所示。

噪聲測試儀測 試噪聲系數(shù)的核心是Y系數(shù)法。首先，噪聲測試儀本身是一臺接收機(jī)，可以用來測試輸人的噪聲功率;其次噪聲測試儀需要控制一個噪聲源的加電和不加電狀態(tài)，對被測件(DUT)進(jìn)行測試。

噪聲系數(shù)測試儀，如AV3984噪聲系數(shù)分析儀，產(chǎn)生28VDC脈沖信號驅(qū)動噪聲源(AV16604)，該噪聲源產(chǎn)生噪聲驅(qū)動DUT.由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，DUT的噪聲系數(shù)可以在內(nèi)部計算和在屏幕上顯示。

使用噪聲系數(shù)測試儀是測量噪聲系數(shù)的最直接方法。測量人員可在特定的頻率范圍內(nèi)測量噪聲系數(shù)，通常噪聲分析儀在超低的噪聲測量中準(zhǔn)確度更高一些，當(dāng)測量很高的噪聲系數(shù)時，測量結(jié)果會不準(zhǔn)確。

3 增益法

目前噪聲系數(shù)的測量主要使用專用的噪聲系數(shù)測試儀，但當(dāng)不具備這種專用設(shè)備或者所要求測試頻率范圍不在其范圍時，可以采用頻譜分析儀測量噪聲系數(shù)，即增益法，該方法對于頻率在所用頻譜儀頻率范圍內(nèi)的被測件都能進(jìn)行測量。

基于噪聲系數(shù)的定義可以得到一個測量公式 ：

式(3)中，Pout是已測的噪聲功率譜密度，-174 dBm/Hz是290°K(室溫)時環(huán)境噪聲的功率譜密度，BW是感興趣的頻率帶寬，Gain是系統(tǒng)的增益。式(3)中每個變量均為對數(shù)，為簡化公式，我們可以直接測量輸出噪聲功率譜密度(dBm/Hz)，這時式(3)變?yōu)椋?/p>

以接收機(jī)為例，測試原理如圖2所示。

用信號源和頻譜儀測量出接收機(jī)的增益(在接收機(jī)能夠接收的電平范圍都可以，如 果感興趣的是接近接收機(jī)小信號時的噪聲系數(shù)，可以選擇接近靈敏度電平，比如小于- 100 dBm的信號強(qiáng)度);為獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)的分辨帶寬(RBW)與視頻帶寬(VBW)，使頻譜儀上的基底噪聲看起來比較干凈。視頻帶寬越小，頻譜儀上顯示的基底噪聲越小，Pout讀數(shù)越準(zhǔn)確。

只要頻譜分析儀允許，這種方法可以適用于任何頻率范圍。通常噪聲分析儀在超低的噪聲測量中準(zhǔn)確度更高一些。對于系統(tǒng)增益非常高、噪聲系數(shù)非常高的場合，這種方法也很準(zhǔn)確。最大的限制來自于頻譜儀的噪聲基底。

4 Y系數(shù)法

Y系數(shù)法是測量噪聲系數(shù)的一種典型方法。Y系數(shù)是指當(dāng)被測件(DUT)的輸入端處于2個不同的資用噪聲功率時，在DUT的輸出端得到的2個相應(yīng)的資用噪聲功率之比。噪聲源是Y系數(shù)法測量必不可少的設(shè)備，噪聲源是能產(chǎn)生2種不同噪聲功率的噪聲發(fā)生器，一般需要用DC脈沖電源驅(qū)動電壓，當(dāng)DC驅(qū)動電壓供電時相當(dāng)于噪聲源開，稱為熱態(tài)，此時輸出大的噪聲功率;DC驅(qū)動電源關(guān)閉時相當(dāng)于噪聲源關(guān)斷，稱為冷態(tài)，此時輸出常溫下的噪聲功率。噪聲源的熱溫與冷溫的差值稱為噪聲源的超噪比(ENR)。

測試原理如圖1所示，為了進(jìn)一步說明其工作原理，下面導(dǎo)出它的工作方程。

當(dāng)噪聲源轉(zhuǎn)移到噪聲溫度T0時，DUT的輸出功率Pn為：

式(5)中，k為波爾茲曼常數(shù)，1.38*10- 23J/K，B為帶寬(Hz)，G為增益，Te為被測網(wǎng)絡(luò)等效輸入噪聲溫度(K)。同理，當(dāng)噪聲源轉(zhuǎn)移到噪聲溫度Tn時，DUT的輸出噪聲功率Pn為：

設(shè)噪聲系數(shù)測試儀的增 益為C，則在上述兩種情況下，噪聲系數(shù)測試儀所檢測到的功率分別為CP0和CPn即：

對式(3)和式(4)聯(lián)立求解 Te并表示為F，即可得到：

式中，ENR是噪聲源的超噪比(dB)， Y=CPn/CP0，功率比值，通常稱為Y系數(shù)，F(xiàn)是噪聲系數(shù)(dB)。

圖3所示為Y系數(shù)量值發(fā)生器的組成原理圖。

首先使噪聲源工作在噪聲溫度T0(冷態(tài))，射頻衰減器置于0(dB)，標(biāo)準(zhǔn)衰減器置于A0(dB)，并使指示器指示在某一位置;然后，噪聲源工作在噪聲溫度Tn(熱態(tài))，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)衰減器使指示器的指示回到原來位置。設(shè)此時的衰減讀數(shù)為An，那么A = An - A0(dB)，可以得到Y(jié)系數(shù)的表達(dá)式為：

Y系數(shù)法適用于大范圍噪聲系數(shù)的測量，簡單易行并且準(zhǔn)確度高，只需要知道噪聲源的ENR，并測量出噪聲源冷、熱2個狀態(tài)下的輸出噪聲功率，不用測量DUT的增益，因此在對噪聲系數(shù)準(zhǔn)確度做檢定時采用此方法。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將式(10)給出的Y系數(shù)代人式(9)，就復(fù)現(xiàn)了噪聲系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值Fs，結(jié)果如表1所示。

我們選用AV3984型微波噪聲系數(shù)分析儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其工作頻率為10 MHz～26.5 GHz，實(shí)驗(yàn)框圖如圖4所示。

依據(jù)圖4所示連接實(shí)驗(yàn)儀器，AV3984的噪聲系數(shù)性能指標(biāo)為±0.25 dB，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)中使用標(biāo)準(zhǔn)衰減器，通過記錄噪聲系數(shù)分析儀的Phot值，代入下列公式計算，得出噪聲系數(shù)測量值：

結(jié)果表明，數(shù)據(jù)的最大偏差在0.25 dB內(nèi)。Y系數(shù)法能測量很大的噪聲系數(shù)范圍，適用于任何頻段，不受增益限制，準(zhǔn)確度更高。

實(shí)驗(yàn)中使用智能噪聲源，超噪比表可以自動從噪聲源內(nèi)上載到噪聲系數(shù)分析儀內(nèi)，也可以在需要的時候通過命令上載。對于需要手動輸入超噪比表的噪聲源，在測量之前一定要確認(rèn)所使用的超噪比表與噪聲源是匹配的。

6 結(jié)束語

本文討論了測量接收機(jī)噪聲系數(shù)的三種方法，每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于特定的應(yīng)用。噪聲系數(shù)測試儀法最直接簡單，在低噪聲測量中準(zhǔn)確度更高;增益法可用于所有頻段，尤其適合測量較高的噪聲系數(shù)，但受頻譜儀的基底噪聲限制;Y系數(shù)法適用于所有的系統(tǒng)噪聲系數(shù)測試，準(zhǔn)確度較高，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可看出數(shù)據(jù)的偏差較小，且不受增益限制。