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噪声系数测量

噪声
电子学热噪声是*基本的一种噪声，是由电子的热运动产生的。现实中的所有器件，都会产生热噪声。热噪声的功率谱密度不随频率变化，是白噪声，服从Gauss概率密度分布，又称为高斯白噪声。

温度为T (K)的电阻中的自由电子随机运动，动能与温度T成正比。电子的随机运动会产生小的随机电压波动噪声，噪声随机电压的RMS值:

𝑉_𝑛=√(4ℎ𝑓𝐵𝑅/(𝑒^(ℎ𝑓/𝑘𝑇)−1))≈√(4𝑘𝑇𝐵𝑅)

  • k~玻尔兹曼常数

  • T~开尔文温度

  • B~系统带宽

  • R~电阻阻值


噪声功率和噪声温度

电阻热噪声的*大输出输出功率，是在阻抗匹配情况下

  • 𝑃_𝑚𝑎𝑥=(𝑉_𝑛/2𝑅)^2∙𝑅=(𝑉_𝑛^2)/4𝑅=𝑘𝑇𝐵

把所有噪声都等效为热噪声功率:

  • 𝑃𝑛=𝑘𝑇𝑒𝐵

噪声温度

  • 𝑇𝑒=𝑃𝑛/(𝑘𝐵)

常温噪声密度的来历

玻尔兹曼常数

  • k=1.380649×10^(−23)J/K=1.380649×10^(−20) 𝑚𝑊/(𝐻𝑧∙𝐾)

290K噪声功率谱密度

  • 𝑁0=𝑘𝑇0=10∙lg⁡(1.380649×10^(−20)×290) = -174dBm/Hz


噪声系数


噪声系数描述被测件DUT内部噪声程度，对信噪比的恶化程度，即输入信噪比和输出信噪比的比值。

  • F=SNR_in/SNR_out

或者表述为输出噪声与输入噪声乘增益之比

  • F=Nout/(G*N0)

定义噪声系数时，输入噪声N0是理想器件在290K时电子学热噪声


噪声温度与噪声系数

  • 噪声系数F=1+Te/T0

  • 噪声温度Te=T0∙(NF-1)

  • T0=290K


噪声系数测量方法


Y因子法

  • *通用的测试方法，适用于绝大多数场景，这也是目前常用的标准测试方法

  • 适用于DUT增益范围-20~60dB，噪声系数范围 0~35dB

  • 应用于频谱仪和噪声系数分析仪等设备

  • 需要合适的标准噪声源

并行检波法

  • 适用于S参数测试与噪声系数测试同时进行的场合

  • 目前只有R&S**网络分析仪采用此方法

  • DUT增益要大于网络分析仪接收机噪声系数

  • 需要功率计校准

附加相噪法

  • 适用于工作于线性区和非线性区的DUT噪声系数测试

  • **可以测量DUT非线性区噪声系数的方法

  • **可以改变DUT输入功率并测噪声系数的方法

  • 目前**适用设备：R&S FSWP，附加相噪测试功能

功率法

  • 低噪声分析仪配合信号源，配置低噪声接收机及相应软件的网络分析仪也可采用

  • 无需噪声源，需要功率计校准

  • DUT增益要大于接收机噪声系数，也就是需要低噪声接收机


Y因子法

仪器设备

  • 频谱仪+外接标准噪声源

方法

  • 控制噪声源，分别测量开关状态的噪声功率

Y因子

  • 对应噪声源开关的功率谱密度变化

  • Y=N_on/N_off

超噪比ENR

  • 对应冷热态噪声温度变化

  • ENR(dB)=10lg⁡[(T_on-T_off)/T0]

测试方法

  • 噪声源直通连接频谱仪，通过已知ENR，校准噪声功率测量值

  • DUT输入端接噪声源，输出端接频谱仪，进行测试

  • Y=N_on/N_off

  • NF(dB)=ENR(dB)-10lg(Y-1)

功率法

原理

  • 功率法，是冷源法，负载连接DUT输入端，对应常温热噪声

测试设备

  • 配置1）频谱仪+信号发生器+匹配负载

  • 配置2）网络分析仪+功率计+匹配负载

测试方法

  • 分别用直通和DUT连接信号源频谱仪，两步骤读数差，获得DUT增益G；

  • DUT输入端连接匹配负载，输出到频谱仪，测量噪声功率密度Pn

  • NF(dB)=Pn(dBm∕Hz)-N0-G，（N0=-174dBm/Hz）

并行检波法

原理

  • RMS检波数值对应信号加噪声S+N的功率

  • AV检波数值对应噪声N的功率

  • 噪声功率通过上述两种检波器差值计算获得

测试设备

  • 网络分析仪R&S ZVA+功率探头

测试方法

  • ZVA-K30噪声系数测试功能，首先使用功率探头进行校准

  • 连接DUT进行测量

附加相噪法

原理

  • 相噪分析仪附加相噪测试，频率远端>=1MHz处噪声为热噪声

  • 附加相噪Sφ=N0+NF-Pin

  • 按照以上公式，已知N0=-177dBc/Hz，输入功率Pin，以及附加相噪测试值Sφ，可以计算获得噪声系数NF

测试设备

  • 相噪分析仪R&S FSWP

测试方法

  • 相噪分析仪附加相噪测试

  • 读取1MHz偏移频点附加相噪Sφ=N0+NF-Pin

  • NF(dB)=Sφ(1MHz)+Pin+177


噪声系数测量中常见问题
用频谱仪测试噪声系数，噪声源如何选取？

  • 噪声源ENR要准确，ENR不确定度<0.2dB

  • ENR比频谱仪噪声系数大3dB以上

  • ENR比DUT噪声系数大5dB以上

  • ENR加DUT增益小于频谱仪(预放开)的压缩点

DUT超高增益放大器，频谱仪和噪声系数分析仪Y因子法测试结果异常如何处理？

  • 噪声源ENR加DUT增益如果超出频谱仪前置放大器的压缩点，频谱仪非线性，无法准确测量噪声系数

  • 频谱仪预放打开时，远低于它关闭时的压缩点

  • ENR加DUT增益小于频谱仪的压缩点是基本要求，根据DUT的增益情况，超高增益的DUT，关闭预放和较小ENR的噪声源。

频谱仪和噪声系数分析仪Y因子法，不确定度评估和影响因素？

  • 频谱仪噪声系数测试选件中直接自动评估不确定度

  • 误差项来源：噪声源和频谱仪不确定度；各端口反射驻波；DUT的增益和噪声系数；频谱仪噪声系数

  • 影响重复性的因素：信噪比；测量时间过短；电磁与温度环境；机械连接

附加相噪法测量噪声系数有什么优缺点？

  • 优点：**可以测量DUT非线性区噪声系数的方法；**可以改变DUT输入功率并测噪声系数的方法

  • 缺点：只能单频点依次手动测试，不能扫频自动测试，18GHz以上需要外置信号源和混频器

并行检波法有哪些注意事项？

  • 功率校准时，网络分析仪功率设置为0dBm

  • 测量时的输出功率，设置为P≈0dBm-G，也就是DUT输出约为0dBm

  • 软件自动设置检波器和带宽，测量时间建议自动

  • 本方法抗干扰能力较差，环境干扰，如手机信号等频点，需要屏蔽或避开

频谱仪和接收机的噪声系数如何获得？

  • 频谱仪或接收机的噪声系数是显示平均噪声电平功率密度与290K噪声功率密度之差，即噪声系数NF(dB)=DANL(dBm/Hz)+174

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