噪声系数测量的常用方法简介
![频谱与信号分析仪,SP900,普尚](https://www.sekorm.com/front/website/images/sekormContent.jpg)
![频谱与信号分析仪,SP900,普尚](https://www.sekorm.com/front/website/images/sekormContent.jpg)
01 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。
02 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)
03 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。
04 常用方法
Part.1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。
Part.2 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。
在室温时,噪声功率谱密度PNAD = -174dBm/Hz。
因而有以下的公式:
在公式中,PNOUT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。增益是系统的增益。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:
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负载(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。
增益法测量的框图见下图所示。
图3.噪声系数增益法测量框图
如图所示,在指定的LNA增益设置和VAGC下测量得到的DUT增益为80dB。接着,如上图设置仪器,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RBW(分析带宽)与VBW(视频带宽)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,(POUTD - 增益)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。
Part.3 Y因子法
Y因子法是另外一种常用的测量噪声系数的方法。为了使用Y因子法,需要ENR(超噪比)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。
图4.噪声系数Y因子法测量框图
ENR噪声源通常需要高电压的DC电源输入,这些ENR噪声源能够工作在非常宽的频段,本身在特定的频率上具有标准的噪声系数。而标定频率外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通常会列出。Y是输出噪声功率谱密度在噪声源开启和关闭时的差值。
05 测量案例
在实际测量中,我们最常见的就是频谱分析仪加装噪声系数测量选件之后,进行噪声系数的测量。如下图,首先需要做校准;然后串联对应的DUT,进行实际的噪声系数测量。
图5.频谱仪测量放大器噪声系数示意图:校准(左);测量(右)
我们选用的噪声源是NC346Ka,DUT是14GHz的Mini公司的ZX60-14012L-S+放大器;测试结果如下图。整体测量结果与产品技术规格书保持了一致。
图6.普尚SP900P的噪声系数测量图
普尚SP900P频谱与信号分析仪可使用多点触控用户界面操作执行发射器一键式噪声系数和增益测量。测量包括噪声系数、增益、Y因数、有效温度和热态/冷态功率密度。使用测量不确定度计算器可估算总体噪声系数。
06 总结
本篇文章共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。理论上,同一个射频器件的测量结果应该一样,但是由于射频设备的限制(可用性、精度、频率范围、噪声基底等),必须选择最佳的方法以获得正确的结果。
- |
- +1 赞 0
- 收藏
- 评论 0
本文由walkonair转载自普尚电子公众号,原文标题为:【云课堂】噪声系数测量的常用方法简介,本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。
相关研发服务和供应服务
相关推荐
如何使用频谱仪Y因子法来测量噪声系数?
噪声系数的精确测量对于产品的研发和制造都非常关键,是射频电路的关键指标之一。它决定了接收机的灵敏度,影响着模拟通信系统的信噪比和数字通信系统的误码率。噪声系数提供了被测器件添加到信号中的噪声的可量化度量。对于噪声系数的测量,通常有Y因子法和冷源法两种方式。本文将详细解析如何使用频谱仪Y因子法来测量噪声系数,希望能为广大工程师朋友提供测试测量思路。
设计经验 发布时间 : 2024-06-28
一文解析使用频谱仪测量瞬态信号
Baluelec首创频谱仪的瞬态检波方法,在信号持续时间与硬件扫描时间相当的情况下(最短3ms)可以实现被测信号的100%捕获测量及显示。频谱分析仪显示刷新率一般为10至20帧每秒,所以在进行瞬态信号测量时每次显示的测量结果是多次测量结果合成得到的,系统将硬件在显示刷新间隔内的多次捕获的瞬态信号都存储下来进行显示。
设计经验 发布时间 : 2024-02-25
【经验】详解如何使用普尚SP900信号分析仪测量是否由仪器内部产生信号失真
本文中,普尚将以SP900信号分析仪为例,用一个信号发生器输出的信号作为信号源来识别谐波失真分量是否由分析仪产生。
设计经验 发布时间 : 2023-06-09
无线通信发展史及基础知识
普尚SP900系列信号分析仪可支持最新的无线通信标准信号,如5G NR、WLAN、Bluetooth的信号解调分析,2/3/4/5G,数字调制解调分析等。SP206V信号发生器支持生成更准确的信号来激励器件和系统,可输出2/3/4/5G,矢量信号,以及BPSK、QAM等,是进口高端信号发生器的首选替代方案。
技术探讨 发布时间 : 2024-08-09
普尚电子领跑高端测量仪表国产化,致力于无线通信和射频微波领域提供高性价比测试解决方案
普尚电子科技有限公司创立于2003年,是一家专注于无线通信和射频微波领域,自主研发、生产和销售通讯仪器仪表的高新技术企业;着眼于两个聚焦领域,即通信电子产品测试,微波/射频产品测试,打造三个产品线,即频谱与信号分析仪,信号(源)发生器,和矢量网络分析仪。
厂牌及品类 发布时间 : 2023-05-17
普尚电子型号对照表
型号- 3674E-405,3674E-404,3986E,3986F,N5245B-401,N5242B-222,SMCV-106,1435B-V,N5242B-219,ZNA67,N5242B-217,3674E-401,N9030B-513,3674E-400,3674E-403,N5247B-423,3674L-405,SP850P-401,N5247B-425,3674L-400,3674L-401,3674L-403,3674L-404,N5242B-224,3986A,SP900N-503,N5247B-419,N9030B-526,ZNB8,SP850P-417,N9020B-526,SP850P-419,N5242B-201,SMCV100B,ZVB8,SMB100B,SP850P-2,SMB100A,SMBB-106,N5247B-401,SP200L-506,SP850P-423,SP850P-422,SP850P-4,SP850P-425,3656D,SP867P-4,SP867P-2,N5242B-205,SP900P-550,SP809B-409,N9030B-503,FSV3013,N5245B-201,N9030B-550,3656B,SP200L,SP826P-401,3674E-203,3674E-205,3674E-204,3674E-201,3674E-200,FSV3004,SP900P-526,1465D,1465B,1465F,SP826P-417,SP800B-422,N5245B-425,SP800B-420,N5181B-506,N8975B,SP826P-4,SP826P-2,N5245B-423,FSW13,SP826P-419,N5245B-422,3674H-400,3674H-401,N5245B-417,SP900B-503,3674H-403,3674H-404,3674H-405,SP800B-452,SP826P-425,SP800B-450,SP826P-422,N5245B-419,SP826P-423,N5171B-506,SP206V-506,N9020B-550,FSW26,E5080B-4K2,SP900P-513,E5080B-4K0,FSV3050,SP900B-526,SP826P-205,SP826P-201,SP900P-503,SP206VL-506,3674H,SP867P-425,SP867P-423,3674B,SMBV100B,3674D,3674G,SP826P-219,SP900B-513,E5080A-495,SP826P-217,SP800B-220,SP867P-419,FSW50,SP200-506,N5245B-222,FSV3030,3674H-200,3674H-201,N5245B-224,N5245B-219,3674H-204,3674H-205,N5245B-217,ZNB20,SP826P-224,E5080B-4P2,SP800B-250,SP826P-222,E5080B-4P0,SP206V,N8976B,N5183B-540,SP867P-401,SMBV-106,3672B,3672C,N5172B-506,3672D,E5080B-2K0,3671E,3671F,3671G,N9020B-503,N5182B-506,ZNA26,SMB-140,3671B,3671D,N5242B-417,ZNB43,SP200L-520,N5242B-419,N5183B-520,SP850P-201,N5247B-224,3674L-200,SP900B-550,3674L-201,3674L-204,3674L-205,N5242B-425,N5242B-423,N5242B-422,E5080A-295,4052C,N5173B-540,4052A,4052H,SP200-520,N5247B-219,4052E,SP900N-540,4051H,E5080B-2P0,SP850P-219,SP850P-217,SMB-120,1435D,1435B,4051C,4051A,SP850P-222,4051E,SP200L-540,SP867P-201,SP850P-224,N5247B-201,1435F,ZNA50,N5242B-401,1465B-V,SP809B-209,SP900N-526,N5173B-520,FSVA3003,SP200-540
一文介绍Wi-Fi标准的演进历史、标准之间的差异及普尚公司测试测量解决方案
本文主要介绍Wi-Fi标准的演进历史、标准之间的差异,并介绍了普尚公司测试测量解决方案。
厂牌及品类 发布时间 : 2024-07-26
高端测量仪表国产替代领导者普尚(PROSUND)与世强硬创达成战略合作
普尚(PROSUND)依托世强硬创平台为用户提供旗下射频微波类测试仪表以及射频微波类测试系统等产品及服务。
签约新闻 发布时间 : 2023-07-06
普尚电子携信号/波形/脉冲发生器、矢量网络分析仪、信号与频谱分析仪等亮相EDICON跨越中国2023成都会议
EDICON跨越中国2023-成都会议将于11月17日在成都希顿国际酒店举行。议题涉及5G、6G、卫星、雷达、测试测量、人工智能应用、射频设计、毫米波、基站、天线、MIMO、Open RAN、先进射频器件和芯片、电磁软件等。业内领先公司在会上展示或演示最新产品,普尚电子携多项产品亮相,包括信号/波形/脉冲发生器、矢量网络分析仪、信号与频谱分析仪等。
厂牌及品类 发布时间 : 2023-11-21
普尚电子首次参展,邀您共赴2024慕尼黑上海电子展
2024慕尼黑上海电子展(electronica China)将于7月8-10日在上海新国际博览中心举办。作为射频微波测试测量行业的领军企业,普尚电子首次参与慕尼黑上海电子展,今年,我们携带精心设计的特装展台与您相见,热切期待与您在展会现场进行面对面的深入交流与探讨。
厂牌及品类 发布时间 : 2024-07-05
国产科学仪器专家朗能泛亚与世强硬创达成战略合作
朗能泛亚向世强硬创平台提供射频类科学仪表,有信号发生器、网络分析仪、频谱分析仪、综合测试仪、示波器等,可为通信行业、电子数码制造、元器件制造等各个领域客户提供产品及服务。
公司动态 发布时间 : 2023-02-20
无线通信的基础知识
在实际操作中,普尚SP900信号分析仪可搭配SP206V矢量信号源进行典型的数字调制信号解调分析。
技术探讨 发布时间 : 2024-04-30
Y因子法噪声系数测量
噪声系数是射频电路的关键指标,影响接收机的灵敏度和通信系统性能。采用Y因子法通过频谱仪测量噪声系数,需使用噪声源,并测量冷态和热态噪声功率。SSA5000A频谱仪能自动计算噪声系数和增益,并支持多种结果显示模式。在测量前需校准系统,确保准确测量被测器件的噪声系数和增益。本次测试案例使用SNA-TB01射频演示板上的放大器模组,成功测量出6 GHz频率下的噪声系数和增益值。
技术探讨 发布时间 : 2024-07-05
电子商城
服务
![](https://files.sekorm.com/opt/fileStore/srms/serviceManage/icon/2023/03/090c095435e0726a2244b08267cdaa27.png)
提供是德(Keysight),罗德(R&S)测试测量仪器租赁服务,包括网络分析仪、无线通讯综测仪、信号发生器、频谱分析仪、信号分析仪、电源等仪器租赁服务;租赁费用按月计算,租赁价格按仪器配置而定。
提交需求>
![](https://files.sekorm.com/opt/fileStore/srms/serviceManage/icon/2023/09/ef14c9a9eb00aec6506244c5eba29627.png)
支持GSM / GPRS 等多种制式产品的射频测试,覆盖所有上行和下行的各项射频指标,包括频差、相差、调制、功率、功控、包络、邻道泄漏比、频谱、杂散、灵敏度、同道干扰、邻道干扰、互调、阻塞等等。满足CE / FCC / IC / TELEC等主流认证的射频测试需求。
实验室地址: 深圳 提交需求>
登录 | 立即注册
提交评论