噪声系数测量的常用方法简介
前言
在无线通信系统中，噪声系数(NF)是RF系统设计师常用的一个参数，它用于表征RF放大器、混频器等器件的噪声，并且被广泛用作无线电接收机设计。测量噪声系数的三种方法：增益法、Y因子法和噪声系数测试仪法。本文主要介绍这三种方法，并用普尚SP900系列频谱仪进行实际的产品测试。
关于噪声因子和噪声系数
噪声系数(NF)有时也指噪声因子(F)。噪声系数(Noise Figure)是对数标度(分贝)，噪声因子(Noise Figure)是线性标度。两者简单的关系为：
NF = 10 × log10 (F)
定义
最早的定义之一由Harold Friis在20世纪40年代所提出。在Friis的定义中，噪声因子(噪声系数的线性等效物理量)是特定信号通过特定组件时的信号比(SNR)的降低量。噪声因子和噪声系数均是无单位物理量，噪声因子以线性方式表示，而噪声系数则以对数形式表示。
如上式所示，如果LNA输入端的信号的SNR为100dB，噪声系数为5dB，那么 输出端的SNR为100-5dB = 95dB。如下图所示，噪声系数为X dB的“黑箱”组件将使SNR降低X dB。
图1.噪声系数等于组件的固有噪声功率与热噪声功率之和
噪声系数的另一个定义是：在-174dBm/Hz的常温热噪声功率下，特定有源器件和无源器件额外引入的噪声功率，以dB为单位。该定义与IEEE对噪声因子的 定义相吻合，后者已被广泛接受，用下列等式来表示。
其中k表示波尔兹曼常量
T0表示常温
B表示带宽
G表示DUT的增益
噪声系数的测量方法随应用的不同而不同。一些应用具有高增益和低噪声系数(低噪声放大器(LNA)在高增益模式下)，一些则具有低增益和高噪声系数(混频器和LNA在低增益模式下)，一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。
方法一、使用噪声系数测试仪
噪声系数测试/分析仪测量框图如下图所示。
图2.噪声系数测试/分析仪测量框图
噪声系数测试仪产生28VDC脉冲信号驱动噪声源，该噪声源产生噪声驱动待测器件(DUT)，使用噪声系数分析仪测量待测器件的输出噪声。由于分析仪已知噪声源的输入噪声和信噪比，进而计算得出DUT的噪声系数。对于某些应用(混频器和接收机)，可能需要本振(LO)信号，如图2所示。当然，测量之前必须在噪声系数测试仪中设置某些参数，如频率范围、应用(放大器/混频器)等。
使用噪声系数测试仪是测量噪声系数的最直接方法，在大多数情况下也是最准确的。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。当测量很高的噪声系数时，例如噪声系数超过10dB，测量结果非常不准确。这种方法需要非常昂贵的设备。
方法二、增益法
前面提到，除了直接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，但是在某种条件下，这些方法更加方便和准确。其中一个常用的方法叫做“增益法”，它是基于前面给出的噪声因数的定义：
在这个定义中，噪声由两个因素产生。一个是到达射频系统输入的干扰，与需要的有用信号不同。第二个是由于射频系统载波的随机扰动(LNA，混频器和接收机等)。第二种情况是布朗运动的结果，作用于任何电子器件中的热平衡。
