噪聲系數定義

信噪比 (Signal-to-Noise Ratio - SNR) 是衡量射頻信號能否與噪聲區分開來以及區分難易程度的重要指標,見圖1。

任何電氣系統或子系統，包括無線電接收機，都會降低信噪比 (SNR)，這種降低程度可以通過輸入和輸出信噪比的噪聲系數比來量化。用于計算噪聲系數的信噪比測量始終在 290 K 的標準溫度下進行。

電氣系統

噪聲系數(Noise Figure - NF)衡量的是設備或通信系統對信號信噪比 (SNR) 的降低程度。噪聲系數越低，性能越好，意味著設備在信號傳輸過程中引入的噪聲越少。它是接收器和其他通信組件設計中的關鍵參數，確保信號清晰可辨，避免語音質量差、誤碼率高或雷達探測距離受限等問題。它以分貝 (dB) 為單位，是評估射頻和微波元件靈敏度和性能的關鍵參數。

信噪比：噪聲系數定義為輸入信號信噪比與輸出信號信噪比之比。
性能下降的度量：它量化了信號在設備或系統中傳輸時信噪比的降低程度。
以分貝 (dB) 表示：噪聲系數的分貝值越低，性能越好。
理想與實際的比較：它將實際系統與理想的無噪聲系統進行比較。

噪聲因子和噪聲系數

噪聲因子 (Factor - F) 是輸入信噪比 (SNR) 與輸出信噪比的線性比值：

F = (S?/N?) / (S?/N?)

噪聲系數 (NF) 是以對數形式表示的噪聲因子：

NF = 10 log??(F)

其中：
S?：輸入信號功率
N?：輸入噪聲功率
S?：輸出信號功率
N?：輸出噪聲功率

示例

如果接收機的參數為：

輸入信噪比 (SNR) = 20 dB
輸出信噪比 (SNR) = 15 dB

則：

F = 10^((20 ? 15)/10) = 3.16
NF = 10 log??(3.16) ≈ 5 dB

噪聲系數主要應用領域

無線和衛星通信：確定接收機靈敏度

微波工程：在低噪聲放大器 (LNA) 設計中至關重要

雷達系統：有助于探測微弱的反射信號

射電天文學：能夠觀測低強度宇宙信號

電子儀器：表征測量設備的內部噪聲特性

什么是理想的噪聲系數？

對于典型頻譜分析儀，其**噪聲系數通常在 6 到 30 dB 之間，數值越小性能越好。

為什么以及何時使用噪聲系數？

噪聲系數是處理小信號時的一個關鍵系統參數，它通過量化附加噪聲來幫助我們進行比較。知道噪聲系數的值后，我們可以根據系統的帶寬計算其靈敏度。

需要注意的是，系統的噪聲系數與其增益是相互獨立的。一旦噪聲被添加到信號中，后續的增益級會以相同的幅度放大信號和噪聲，這不會改變信噪比 (SNR)。

下圖 2.a 顯示了放大器的輸入信號，其峰值比噪聲基底高 40 dB；圖 2.b 顯示了輸出信號。增益將信號和噪聲水平都提高了 20 dB，并引入了自身的噪聲。因此，輸出信號的峰值現在僅比噪聲基底高 30 dB。由于信噪比下降了 10 dB，因此該放大器的噪聲系數為 10 dB。

圖 2. 放大器輸入端 (a) 和輸出端 (b) 的信號示例。請注意，由于放大器電路引入的噪聲，噪聲電平的上升幅度大于信號電平。信號和噪聲的這種變化即為放大器的噪聲系數。

通過控制系統組件的噪聲系數和增益，射頻設計人員可以直接控制整個系統的噪聲系數。一旦確定了噪聲系數，就可以根據系統帶寬輕松估算系統靈敏度。

噪聲源的位置

懸而未決的問題：影響噪聲系數的系統噪聲源在哪里？大多數噪聲是由電氣設備中常見的現象引起的自發波動，這種噪聲通常較為平坦。我們對這種噪聲進行測量以表征噪聲系數。這些噪聲源主要分為兩類：熱噪聲和散粒噪聲。

另需注意：在噪聲系數測量中，部分功率可能并非噪聲，而是某種干擾。因此，必須警惕并防范這種情況，在屏蔽室內進行測量，以確保我們只測量所需的自發噪聲。

噪聲系數測量可以使用信號分析儀、噪聲源和專用噪聲系數測量應用程序進行。

圖 3. 使用信號分析儀、噪聲源和專用噪聲系數測量應用程序對被測器件 (DUT) 進行噪聲系數測量所需的兩個步驟概覽。

測量噪聲系數最常用的方法是 Y 因數法，該方法包含兩個步驟：校準和 DUT 的噪聲系數測量。首先，將噪聲源連接到信號分析儀的前端，對信號分析儀進行校準。在第二步中，將 DUT 連接到信號分析儀的前端，并將噪聲源連接到 DUT 的輸入端——此時，信號分析儀的噪聲系數測量應用程序即可對 DUT 的噪聲系數進行表征。

在無線通信系統中，噪聲系數 NF或者噪聲因數(F)一般用來定義射頻系統的性能和對接受靈敏度的貢獻。
噪聲系數/噪聲因數是射頻系統噪聲性能的重要特征，噪聲系數為：

從這個定義可以推導出很多常用的噪聲系數(噪聲因數)公式和測試方案。