噪聲系數(shù)定義

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

任何電氣系統(tǒng)或子系統(tǒng)，包括無線電接收機(jī)，都會(huì)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(shù)比來量化。用于計(jì)算噪聲系數(shù)的信噪比測(cè)量始終在 290 K 的標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行。

電氣系統(tǒng)

噪聲系數(shù)(Noise Figure - NF)衡量的是設(shè)備或通信系統(tǒng)對(duì)信號(hào)信噪比 (SNR) 的降低程度。噪聲系數(shù)越低，性能越好，意味著設(shè)備在信號(hào)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(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，確保信號(hào)清晰可辨，避免語音質(zhì)量差、誤碼率高或雷達(dá)探測(cè)距離受限等問題。它以分貝 (dB) 為單位，是評(píng)估射頻和微波元件靈敏度和性能的關(guān)鍵參數(shù)。

信噪比：噪聲系數(shù)定義為輸入信號(hào)信噪比與輸出信號(hào)信噪比之比。
性能下降的度量：它量化了信號(hào)在設(shè)備或系統(tǒng)中傳輸時(shí)信噪比的降低程度。
以分貝 (dB) 表示：噪聲系數(shù)的分貝值越低，性能越好。
理想與實(shí)際的比較：它將實(shí)際系統(tǒng)與理想的無噪聲系統(tǒng)進(jìn)行比較。

噪聲因子和噪聲系數(shù)

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(shù) (NF) 是以對(duì)數(shù)形式表示的噪聲因子：

NF = 10 log??(F)

其中：
S?：輸入信號(hào)功率
N?：輸入噪聲功率
S?：輸出信號(hào)功率
N?：輸出噪聲功率

示例

如果接收機(jī)的參數(shù)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(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域

無線和衛(wèi)星通信：確定接收機(jī)靈敏度

微波工程：在低噪聲放大器 (LNA) 設(shè)計(jì)中至關(guān)重要

雷達(dá)系統(tǒng)：有助于探測(cè)微弱的反射信號(hào)

射電天文學(xué)：能夠觀測(cè)低強(qiáng)度宇宙信號(hào)

電子儀器：表征測(cè)量設(shè)備的內(nèi)部噪聲特性

什么是理想的噪聲系數(shù)？

對(duì)于典型頻譜分析儀，其**噪聲系數(shù)通常在 6 到 30 dB 之間，數(shù)值越小性能越好。

為什么以及何時(shí)使用噪聲系數(shù)？

噪聲系數(shù)是處理小信號(hào)時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)，它通過量化附加噪聲來幫助我們進(jìn)行比較。知道噪聲系數(shù)的值后，我們可以根據(jù)系統(tǒng)的帶寬計(jì)算其靈敏度。

需要注意的是，系統(tǒng)的噪聲系數(shù)與其增益是相互獨(dú)立的。一旦噪聲被添加到信號(hào)中，后續(xù)的增益級(jí)會(huì)以相同的幅度放大信號(hào)和噪聲，這不會(huì)改變信噪比 (SNR)。

下圖 2.a 顯示了放大器的輸入信號(hào)，其峰值比噪聲基底高 40 dB；圖 2.b 顯示了輸出信號(hào)。增益將信號(hào)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(hào)的峰值現(xiàn)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(shù)為 10 dB。

圖 2. 放大器輸入端 (a) 和輸出端 (b) 的信號(hào)示例。請(qǐng)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(hào)電平。信號(hào)和噪聲的這種變化即為放大器的噪聲系數(shù)。

通過控制系統(tǒng)組件的噪聲系數(shù)和增益，射頻設(shè)計(jì)人員可以直接控制整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。一旦確定了噪聲系數(shù)，就可以根據(jù)系統(tǒng)帶寬輕松估算系統(tǒng)靈敏度。

噪聲源的位置

懸而未決的問題：影響噪聲系數(shù)的系統(tǒng)噪聲源在哪里？大多數(shù)噪聲是由電氣設(shè)備中常見的現(xiàn)象引起的自發(fā)波動(dòng)，這種噪聲通常較為平坦。我們對(duì)這種噪聲進(jìn)行測(cè)量以表征噪聲系數(shù)。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(shù)測(cè)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(nèi)進(jìn)行測(cè)量，以確保我們只測(cè)量所需的自發(fā)噪聲。

噪聲系數(shù)測(cè)量可以使用信號(hào)分析儀、噪聲源和專用噪聲系數(shù)測(cè)量應(yīng)用程序進(jìn)行。

圖 3. 使用信號(hào)分析儀、噪聲源和專用噪聲系數(shù)測(cè)量應(yīng)用程序?qū)Ρ粶y(cè)器件 (DUT) 進(jìn)行噪聲系數(shù)測(cè)量所需的兩個(gè)步驟概覽。

測(cè)量噪聲系數(shù)最常用的方法是 Y 因數(shù)法，該方法包含兩個(gè)步驟：校準(zhǔn)和 DUT 的噪聲系數(shù)測(cè)量。首先，將噪聲源連接到信號(hào)分析儀的前端，對(duì)信號(hào)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)。在第二步中，將 DUT 連接到信號(hào)分析儀的前端，并將噪聲源連接到 DUT 的輸入端——此時(shí)，信號(hào)分析儀的噪聲系數(shù)測(cè)量應(yīng)用程序即可對(duì) DUT 的噪聲系數(shù)進(jìn)行表征。

在無線通信系統(tǒng)中，噪聲系數(shù) NF或者噪聲因數(shù)(F)一般用來定義射頻系統(tǒng)的性能和對(duì)接受靈敏度的貢獻(xiàn)。
噪聲系數(shù)/噪聲因數(shù)是射頻系統(tǒng)噪聲性能的重要特征，噪聲系數(shù)為：

從這個(gè)定義可以推導(dǎo)出很多常用的噪聲系數(shù)(噪聲因數(shù))公式和測(cè)試方案。