噪聲系數(shù)測量手冊1：噪聲系數(shù)定義及測試方法.pdf

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1、噪聲系數(shù)測量手冊Part1.噪聲系數(shù)定義及測試方法安捷倫科技：顧宏亮一.噪聲系數(shù)定義最常見的噪聲系數(shù)定義是：輸入信噪比/輸出信噪比。它是衡量設(shè)備本身噪聲品質(zhì)的重要參數(shù),它反映的是信號經(jīng)過系統(tǒng)后信噪比惡化的程度。噪聲系數(shù)是一個大于1的數(shù)，也就是說信號經(jīng)過系統(tǒng)后信噪比是惡化了。噪聲系數(shù)是射頻電路的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它決定了接收機(jī)的靈敏度，影響著模擬通信系統(tǒng)的信噪比和數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率。無線通信和衛(wèi)星通信的快速發(fā)展對器件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的噪聲性能要求越來越高。輸入信噪比SNRinput=Pi/Ni輸出信噪比SNRoutput=Po/No噪聲系數(shù)F=SNRinput/SNRou

2、tput通常用dB來表示NF=10Log(F)假設(shè)放大器是理想的線性網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部不產(chǎn)生任何噪聲。那么對于該放大器來說,輸出的功率Po以及輸出的噪聲No分別等于Pi*Gain以及Ni*Gain。這樣噪聲系數(shù)=(Pi/Ni)/(Po/No)=1。但是現(xiàn)實中，任何放大器的噪聲功率輸出不僅僅有輸入端噪聲的放大輸出，還有內(nèi)部自身的噪聲(Na)輸出，下圖為線性雙端口網(wǎng)絡(luò)的圖示。雙端口網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)分析框圖Vs:信號源電動勢Rs:信號源內(nèi)阻Ri:雙端口網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗RL:負(fù)載阻抗Ni:輸入噪聲功率Pi:輸入信號功率No:輸出噪聲功率Po:輸出信號功率Vn:該信號源內(nèi)阻Rs的等效噪聲電壓

3、Ro:雙端口網(wǎng)絡(luò)輸出阻抗輸出噪聲功率:No=Ni*Gain+Na;Po=Pi*Gain噪聲系數(shù)=(Pi*No)/(Ni*Po)=(Ni*Gain+Na)/(Ni*Gain)=1+Na/(Ni*Gain)>1根據(jù)IEEE的噪聲系數(shù)定義:Thenoisefactor,ataspecifiedinputfrequency,isdefinedastheratioof(1)thetotalnoisepowerperunitbandwidthavailableattheoutputportwhennoisetemperatureoftheinputterminationisst

4、andard(290K)to(2)thatportionof(1)engenderedattheinputfrequencybytheinputtermination.”a.輸入噪聲被定義成負(fù)載在溫度為290K下產(chǎn)生的噪聲。b.輸入噪聲功率為資用功率，也就是該負(fù)載(termination)能產(chǎn)生的最大功率。c.假定了被測件和負(fù)載阻抗互為共軛關(guān)系.如果被測件是放大器，并且噪聲源阻抗為50ohm,那么假定了該放大器的輸入阻抗為50ohm。綜合上述的結(jié)論，我們可以這樣理解噪聲系數(shù)的定義:當(dāng)輸入噪聲功率為290K溫度下的負(fù)載所產(chǎn)生的最大功率情況下，輸入信噪比和輸出信噪比的比

5、值。資用功率指的是信號源能輸出的最大功率,也可以稱為額定功率。信號源輸出框圖只有當(dāng)源的內(nèi)阻和負(fù)載相等(復(fù)數(shù)互為共軛),源輸出最大功率.22Pavailable=[VS/(RS+RL)]*RL當(dāng)RS=RL時候Pavailable=VS/(4*RS)由此可見，資用功率是源的本身參數(shù)，它只和內(nèi)阻以及電動勢有關(guān),和負(fù)載沒有關(guān)系。那如果輸入是一個負(fù)載的噪聲，該噪聲大小是如何計算的呢？根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，輸入端的噪聲是溫度為290K的電阻所產(chǎn)生的熱噪聲功率，我們假定電阻為R,那么根據(jù)JBJohson以及Nyquist對噪聲功率的推導(dǎo)可得電阻產(chǎn)生的噪聲資用功率為功率為:2Ni=e

6、/(4*R)2e=4KTBR-23K=玻爾茲曼常數(shù)(1.3806505*10J/K)T=開爾文溫度(K)B=帶寬(Hz)因此輸入端額定的噪聲功率Ni=4KTBR/4R=KTB。由上述可知，無論信號源的內(nèi)阻大小如何，它所產(chǎn)生的額定噪聲功率都是相同的。它的大小只和該電阻所處的溫度以及帶寬有關(guān)。當(dāng)T=T0=290K時，Ni=KT0B。噪聲溫度:通常為了簡化計算可以使用噪聲溫度來表示噪聲功率。它等于一個電阻在與這個噪聲源相同的帶寬內(nèi)輸出相同的功率時所具有的絕對溫度。因此放大器的內(nèi)部自身噪聲輸出Na可以等效為當(dāng)輸入端為TE溫度的電阻時的輸出噪聲Na=KTEBG。線性雙端口網(wǎng)絡(luò)

7、噪聲這樣噪聲系數(shù)可以簡化為:NF=1+Na/(Ni*Gain)=1+KTEBGain/KT0BGain=1+TE/T0NF=1+TE/T0可推得TE=T0(NF-1)NF(dB)=10Log(1+TE/T0)其中T0=290K對于下圖的級聯(lián)噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)級聯(lián)框圖很容易證明級聯(lián)以后的噪聲系數(shù)為:NF=NF1+(NF2-1)/G1對于n級的系統(tǒng)，可以證明噪聲系數(shù)為:NF(1..n)=NF1+(NF2-1)/G1+(NF3-1)/G1G2+(NF4-1)/G1G2G3……(NFn-1)/G1G2G3..Gn二.噪聲系數(shù)測試方法噪聲系數(shù)的精確測量對于產(chǎn)品的研發(fā)和制造都