這里我將詳細(xì)闡述噪聲系數(shù)這個(gè)重要的參數(shù)及其測量的三種方法：增益法、Y因數(shù)法和噪聲系數(shù)分析儀法。

噪聲系數(shù)的測量方法應(yīng)隨著應(yīng)用的不同而不同。從上面的圖表可看出，有些應(yīng)用具有高增益和低噪聲系數(shù)特性 (低噪聲放大器LNA在高增益模式下)，有些應(yīng)用則具有低增益和高噪聲系數(shù)特性 (混頻器和LNA在低增益模式下)，有些則具有非常高的增益和寬范圍的噪聲系數(shù) (接收機(jī)系統(tǒng))。因此測量方法必須仔細(xì)選擇。
下面將討論噪聲系數(shù)分析儀法和其他兩個(gè)方法：增益法和Y因數(shù)法。

噪聲系數(shù)分析儀

噪聲系數(shù)分析儀的測試配置圖如下所示：

Figure 1

什么是噪聲系數(shù)分析儀？

噪聲系數(shù)分析儀測量待測器件的噪聲信號輸出功率。由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，待測物的噪聲系數(shù)通過內(nèi)部計(jì)算后，在屏幕上顯示結(jié)果。

噪聲系數(shù)分析儀是完全針對噪聲系數(shù)應(yīng)用的儀器，僅用于測量噪聲系數(shù)、增益和相關(guān)量。與頻譜分析儀及其它儀器相比，噪聲系數(shù)分析儀更快，更易用、精度更高、頻率范圍更寬。因此是得到所可能最好不確定度的最高端的選擇，特別是對于 3GHz 以上頻率。

噪聲系數(shù)分析儀的噪聲源產(chǎn)生寬帶白噪聲驅(qū)動(dòng)待測器件DUT。噪聲系數(shù)分析儀測量待測器件的噪聲信號輸出功率。由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，待測物的噪聲系數(shù)通過內(nèi)部計(jì)算后，在屏幕上顯示結(jié)果。
對于混頻器件的測試，可能需要本振LO信號，如Figure 1所示。當(dāng)然，測量之前必須在噪聲系數(shù)分析儀中設(shè)置待測物的相關(guān)參數(shù)，如頻率范圍、應(yīng)用(放大器/混頻器)等。
使用噪聲系數(shù)分析儀是測量噪聲系數(shù)最簡單的方法，而且在大多數(shù)情況下也是最準(zhǔn)確地。工程師可在特定的頻率范圍內(nèi)測量噪聲系數(shù)，分析儀能夠同時(shí)顯示增益和噪聲系數(shù)。當(dāng)然，分析儀也有一些缺陷： 每種分析儀都有頻率限。另外，當(dāng)測量很高的噪聲系數(shù)時(shí)，例如噪聲系數(shù)超過10dB，測量結(jié)果可能會(huì)不準(zhǔn)確。

什么是增益法？

除了使用噪聲系數(shù)測試儀外還可以采用其他方法測量噪聲系數(shù)。這些方法需要更多測量和計(jì)算，但是在某種特定的條件下，這些方法可能更加準(zhǔn)確。其中一個(gè)常用的方法是“增益法”。

增益法的測試原理

增益法的測試原理是基于噪聲因數(shù)的定義：

在這個(gè)定義中，噪聲由兩個(gè)因素產(chǎn)生。一種是外部輸入射頻系統(tǒng)的干擾噪聲信號；第二種是射頻系統(tǒng)因?yàn)檩斎氲妮d波信號而產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲。

一般來說，第二種噪聲是布朗運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，由于電子器件中的熱平衡而產(chǎn)生，所以它的噪聲功率為可用以下公式來表示：
PNA = kTΔF
k 波爾茲曼常量(1.38 * 10-23焦耳/ΔK)
T 溫度，單位為開爾文
F 噪聲帶寬(Hz)
在室溫(290ΔK)時(shí)，噪聲功率譜密度PNAD = -174dBm/Hz。
所以 NF = PNOUT - (-174dBm/Hz + 20 * log10(BW) + 增益)
在公式中，PNOUT是已測的總共輸出噪聲功率，-174dBm/Hz是290°K時(shí)環(huán)境噪聲的功率譜密度；BW是噪聲帶寬；增益是系統(tǒng)的增益；NF是DUT的噪聲系數(shù)；公式中的每個(gè)變量均為對數(shù)指數(shù)。簡化公式后，我們可以直接計(jì)算出輸出噪聲功率譜密度(dBm/Hz)：
NF = PNOUTD + 174dBm/Hz - 增益
用增益法測量噪聲系數(shù)，待測物的增益需要預(yù)先確定的。另外，待測物的輸入需要連接相應(yīng)的特性阻抗 (例如：射頻電路使用50Ω，視頻/電纜使用75Ω)。這樣，可使用頻譜分析儀來測量輸出噪聲功率譜密度。
增益法測量噪聲系數(shù)的配置圖如圖所示：

Figure 2
Figure 2 配置圖是用來測量MAX2700 Receiver System的噪聲系數(shù)。在指定的LNA增益設(shè)置和VAGC下測量得到的增益為80dB；接著，當(dāng)射頻輸入端用50Ω負(fù)載短接。

頻譜儀上測出的噪聲功率譜密度為 -90dBm/Hz；為了獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確而選擇的最優(yōu)RBW (分辨率帶寬)與VBW (視頻帶寬)比值為 RBW/VBW = 0.3。

所以，可以計(jì)算得出的NF為：
-90dBm/Hz + 174dBm/Hz - 80dB = 4.0dB
只要頻譜分析儀的頻率允許，增益法可適用于任何頻率范圍內(nèi)。它的最大限制來自于頻譜分析儀的本底噪聲。在計(jì)算公式中可以看到，當(dāng)噪聲系數(shù)較低時(shí) （比如小于10dB），POUTD - 增益的數(shù)值講接近于-170dBm/Hz；通常LNA的增益大約為20dB，這樣我們必須測量大約為 -150dBm/Hz的噪聲功率譜密度，這個(gè)噪聲功率將低于大多數(shù)頻譜儀的本底噪聲功率，就無法被準(zhǔn)確測量出來。
所以，增益法比較適用于增益高的射頻系統(tǒng)，或者待測物的噪聲系數(shù)非常高 (比如高于30dB)的場景.

什么是Y因數(shù)法？

Y因數(shù)法是另外一種常用的測量噪聲系數(shù)的方法。

測試的配置圖如圖 Figure 3 所示：

Figure 3
Y 因數(shù)法需要一個(gè)配有超噪比ENR的噪聲頭， 噪聲頭通常需要高電壓的直流電源來額外供電。這些噪聲頭能夠產(chǎn)生非常寬頻譜的白噪聲而且噪聲頭在相應(yīng)的頻率點(diǎn)有準(zhǔn)確的噪聲系數(shù)參數(shù) （如下表給出具體的數(shù)值）。通過這些參數(shù)，我們就可以通過外推法來計(jì)算相應(yīng)頻率上的噪聲系數(shù)。

通過開關(guān)直流電源來開啟或者關(guān)閉噪聲頭的信號，從而使用頻譜分析儀來測量輸出噪聲功率譜密度的變化。

計(jì)算噪聲系數(shù)的公式為：

在這個(gè)公式種，超噪比ENR為表1給出的值，通常噪聲頭的NF值會(huì)直接標(biāo)明；Y是輸出噪聲功率譜密度在噪聲源開啟和關(guān)閉時(shí)的差值。
另外，假設(shè)噪聲頭超噪比為 ENR，標(biāo)準(zhǔn)冷噪聲溫度為 290K，TH是直流電壓供電時(shí)的噪聲溫度，根據(jù)超噪比定義可得到下面等式：

所以在冷溫度T = 290°K時(shí)與在熱溫度T = TH時(shí)待測物DUT功率輸出比為：
Y = G(Th + Tn)/G(290 + Tn) = (Th/290 + Tn/290)/(1 + Tn/290)
這就是Y因數(shù)法，它的名字就是來源于這個(gè)等式。
根據(jù)噪聲系數(shù)定義，F(xiàn) = Tn/290+1，F(xiàn)是噪聲因數(shù)NF = 10 * log(F)，所以得出，Y = ENR/F+1。在這個(gè)公式中，所有變量都是線性變化，于是就可得到上面的噪聲系數(shù)公式。
我們同樣用MAX2700作為待測物，來演示如何使用Y因數(shù)法測量噪聲系數(shù)。
測試配置圖見Figure 3:
連接HP346A噪聲源 噪聲頭到待測物的射頻輸入端RF Input；
連接28V直流電壓電源到噪聲頭的輸入端；
為了獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲功率譜密度讀數(shù)，頻譜儀的RBW/VBW比設(shè)置為0.3。
然后，用頻譜儀來測試輸出噪聲功率譜密度。
通過開/關(guān)直流電源，噪聲譜密度從-90dBm/Hz變到-87dBm/Hz。可以得出Y = 3dB。
另外，從表1可以得到，在2 GHz時(shí)ENR = 5.28dB。
所以，根據(jù)公式， 我們可以計(jì)算NF的值為 5.3dB。