噪声系数的计算及测量方法噪声系数(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的一个工具。

许多优秀的通信和接收机设计教材都对噪声系数进行了详细的说明.现在，RF应用中会用到许多宽带运算放大器和ADC，这些器件的噪声系数因而变得重要起来。

讨论了确定运算放大器噪声系数的适用方法。

我们不仅必须知道运算放大器的电压和电流噪声，而且应当知道确切的电路条件：闭环增益、增益设置电阻值、源电阻、带宽等。

计算ADC的噪声系数则更具挑战性，大家很快就会明白此言不虚。

公式表示为：噪声系数NF=输入端信噪比/输出端信噪比，单位常用“dB”。

该系数并不是越大越好，它的值越大，说明在传输过程中掺入的噪声也就越大，反应了器件或者信道特性的不理想。

在放大器的噪声系数比较低的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度(T)来表示。

噪声系数与噪声温度的关系为：T=(NF-1)T0 或NF=T/T0+1 其中：T0-绝对温度(290K)噪声系数计算方法研究噪声的目的在于如何减少它对信号的影响。

因此，离开信号谈噪声是无意义的。

从噪声对信号影响的效果看，不在于噪声电平绝对值的大小，而在于信号功率与噪声功率的相对值，即信噪比，记为S/N(信号功率与噪声功率比)。

即便噪声电平绝对值很高，但只要信噪比达到一定要求，噪声影响就可以忽略。

否则即便噪声绝对电平低，由于信号电平更低，即信噪比低于1，则信号仍然会淹没在噪声中而无法辨别。

因此信噪比是描述信号抗噪声质量的一个物理量。

1 噪声系数的定义要描述放大系统的固有噪声的大小，就要用噪声系数，其定义为设Pi为信号源的输入信号功率，Pni为信号源内阻RS产生的噪声功率，Po和Pno分别为信号和信号源内阻在负载上所产生的输出功率和输出噪声功率,Pna表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出。

已知噪声功率是与带宽B相联系的。

噪声系数与输入信号大小无关。

定义：Pni为信号源内阻Rs的最大输出功率，为kTB 噪声系数的大小与四端网络输入端的匹配情况无关噪声系数的定义只适用于线性或准线性电路信噪比与负载的关系设信号源内阻为RS，信号源的电压为US(有效值)，当它与负载电阻RL相接时，在负载电阻RL上的信噪比计算如下：在负载两端的信噪比结论：信号源与任何负载相接本不影响其输入端信噪比，即无论负载为何值，其信噪比都不变，其值为负载开路时的信号电压平方与噪声电压均方值之比。

2. 噪声系数的计算用额定功率和额定功率增益表示的噪声系数放大器输入信号源电路如图所示。

任何信号源加上负载后，其信噪比与负载大小无关，信噪比均为信号均方电压(或电流)与噪声均方电压(或电流)之比。

放大器的噪声系数NF为Pasi和Pao分别为放大器的输入和输出额定信号功率，Pani和Pano分别为放大的输入和输出额定噪声功率，Gpa为放大器的额定功率增益。

额定功率, 又称资用功率或可用功率, 是指信号源所能输出的最大功率, 它是一个度量信号源容量大小的参数, 是信号源的一个属性, 它只取决于信号源本身的参数——内阻和电动势, 与输入电阻和负载无关, 如图所示。

(a) 电压源; (b) 电流源放大器的噪声系数NF为对于无源二端口网络，输出端匹配时，输出的额定噪声功率Pano= kTB, 所以噪声系数:抽头回路的噪声系数输入端信号源的最大输出功率,即二端网络最大输入功率为：将信号源电导等效到回路两端, 为p2gS, 等效到回路两端的信号源电流为pIS, 输出端匹配时信号源的最大输出功率，即二端网络输出端最大功率为：多级放大器噪声系数的计算多级放大器的总噪声系数计算公式为：从上式可以看出, 当网络的额定功率增益远大于1时, 系统的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数。

越是后面的网络, 对噪声系数的影响就越小, 这是因为越到后级信号的功率越大, 后面网络内部噪声对信噪比的影响就不大了。

因此, 对第一级来说, 不但希望噪声系数小, 也希望增益大, 以便减小后级噪声的影响。

噪声系数测量方法在无线通信系统中，噪声系数(NF)或者相对应的噪声因数(F)定义了噪声性能和对接收机灵敏度的贡献。

本文详细阐述这个重要的参数及其不同的测量方法。

噪声因数和噪声系数噪声系数有时也指噪声因数。

两者简单的关系为：NF=10*log10(F)定义噪声系数(噪声因数)包含了射频系统噪声性能的重要信息，标准的定义为：从这个定义可以推导出很多常用的噪声系数(噪声因数)公式。

噪声系数的测量方法随应用的不同而不同。

从表1可看出，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。

本文中将讨论噪声系数测试仪法和其他两个方法：增益法和Y系数法。

使用噪声系数测试仪噪声系数测试/分析仪在图1种给出。

图1。

噪声系数测试仪，如Agilent公司的N8?73A噪声系数分析仪，产生28V DC脉冲信号驱动噪声源(HP346A/B)，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。

由于分析仪已知噪声源的输入噪声和信噪比，DUT的噪声系数可以在内部计算和在屏幕上显示。

对于某些应用(混频器和接收机)，可能需要本振(LO)信号，如图1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地。

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帮助测量。

分析仪具有频率限制。

例如，AgilentN8?73A可工作频率为10MHz至3GHz。

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。

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，应用于任何电子器件中的热平衡，器件的可利用的噪声功率为：PNA=kTΔF这里的k等于波尔兹曼常量(1.38*10-23焦耳/ΔK)，T为温度，单位为开尔文，ΔF=噪声带宽(Hz)。

在室温(290ΔK)时，噪声功率谱密度PNAD-174dBm/Hz.因而我们有以下的公式：NF=PNOUT-(-174dBm/Hz+20*log10(BW)+Gain)在公式中，PPNOUT是已测的总共输出噪声功率，-174dBm/Hz是290°K时环境噪声的功率谱密度。

BW 是感兴趣的频率带宽。

Gain是系统的增益。

NF是DUT的噪声系数。

公式中的每个变量均为对数。

为简化公式，我们可以直接测量输出噪声功率谱密度(dBm/Hz)，这时公式变为：NF=PNOUTD+174dBm/Hz-Gain为了使用增益法测量噪声系数，DUT的增益需要预先确定的。

DUT的输入需要端接特性阻抗(射频应用为50Ω，视频/电缆应用为75Ω)。

输出噪声功率谱密度可使用频谱分析仪测量。

增益法测量的装置见图2。

图2。

作为一个例子，我们测量MAX2700噪声系数的。

在指定的LNA增益设置和VPAGC下测量得到的增益为80dB。

接着，如上图装置仪器，射频输入用50Ω负载端接。

在频谱仪上读出输出噪声功率谱密度为-90dBm/Hz。

为获得稳定和准确的噪声密度读数，选择最优的解析带宽(RBW)与视频带宽(VBW)为RBW/VBW=0.3。

计算得到的NF为：-90dBm/Hz+174dBm/Hz-80dB=4.0dB只要频谱分析仪允许，增益法可适用于任何频率范围内。

最大的限制来自于频谱分析仪的噪声基底。

在公式中可以看到，当噪声系数较低(小于10dB)时，(PNOUTD-Gain) 接近于-170dBm/Hz，通常LNA的增益约为20dB。

这样我们需要测量-150dBm/Hz的噪声功率谱密度，这个值低于大多数频谱仪的噪声基底。

在我们的例子中，系统增益非常高，因而大多数频谱仪均可准确测量噪声系数。

类似地，如果DUT的噪声系数非常高(比如高于30dB)，这个方法也非常准确。

Y因数法Y因数法是另外一种常用的测量噪声系数的方法。

为了使用Y因数法，需要ENR(冗余噪声比)源。

这和前面噪声系数测试仪部分提到的噪声源是同一个东西。

装置图见图3。

图3。

ENR头通常需要高电压的DC电源。

比如HP346A/B噪声源需要28伏DC。

这些ENR头能够工作在非常宽的频段(例如HP346A/B为10MHz至18GHz)，在特定的频率上本身具有标准的噪声系数参数。

表2给出具体的数值。

在标识之间的频率上的噪声系数可通过外推法得到。

开启或者关闭噪声源(通过开关DC电压)，工程师可使用频谱分析仪测量输出噪声功率谱密度的变化。

计算噪声系数的公式为:在这个式子中，ENR为上表给出的值。

通常ENR头的NF值会列出。

Y是输出噪声功率谱密度在噪声源开启和关闭时的差值。

这个公式可从以下得到。

ENR噪声头提供两个噪声温度的噪声源：热温度时T=TH(直流电压加电时)和冷温度T=290°K。

ENR噪声头的定义为：冗余噪声通过给噪声二极管加偏置得到。

现在考虑在冷温度T=290°K时与在热温度T=TH时放大器(DUT)功率输出比：Y=G(Th+Tn)/G(290+Tn)=(Th/290+Tn/290)/(1+Tn/290)这就是Y因数法，名字来源于上面的式子。

根据噪声系数定义，F=Tn/290+1，F是噪声因数(NF=10*log(F))，因而Y=ENR/F+1。

在这个公式中，所有变量均是线性关系，从这个式子可得到上面的噪声系数公式。

我们再次使用MAX2700作为例子演示如何使用Y因数法测量噪声系数。

装置图见图3。

连接HP346AENR到RF的输入。

连接28V直流电压到噪声源头。

我们可以在频谱仪上监视输出噪声功率谱密度。

开/关直流电源，噪声谱密度从-90dBm/Hz变到-87dBm/Hz。

所以Y=3dB。

为了获得稳定和准确的噪声功率谱密度读数，RBW/VBW设置为0.3。

从表2得到，在2GHz 时ENR=5.28dB，因而我们可以计算NF的值为5.3dB。

以上讨论了测量射频器件噪声系数的三种方法。

每种方法都有其优缺点，适用于特定的应用。

表3是三种方法优缺点的总结。