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噪聲系數(shù)測(cè)量的三種典型方法
2015-09-12
1 引言
噪聲系數(shù)是微波產(chǎn)品研制和生產(chǎn)過(guò)程中的一項(xiàng)主要測(cè)量參數(shù)，是表征接收機(jī)及其組成部件在有熱噪聲存在的情況下處理微弱信號(hào)能力的關(guān)鍵參數(shù)之一，噪聲系數(shù)的計(jì)量測(cè)試更是噪聲計(jì)量測(cè)試的重要內(nèi)容。
在工程上定義噪聲因子(F)為若線性兩端口網(wǎng)絡(luò)具有確定的輸入端和輸出端，且輸入端源阻抗處于290。K(室溫)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸入端信號(hào)噪聲功率比與網(wǎng)絡(luò)輸出端信號(hào)噪聲功率比的比值。
其中， Si為輸入信號(hào)功率，Ni為輸入噪聲功率，So 為輸出信號(hào)功率，No為輸出噪聲功率，G為兩端口網(wǎng)絡(luò)增益，Na為兩端口網(wǎng)絡(luò)本身的噪聲功率。
它明確地表明了由于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生噪聲，使網(wǎng)絡(luò)輸入端信噪比經(jīng)過(guò)該網(wǎng)絡(luò)傳輸后信噪比惡化的倍數(shù)，也就是傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)其輸出端總噪聲功率貢獻(xiàn)的大小。噪聲系數(shù)(NF)為噪聲因子的對(duì)數(shù)表達(dá)形式，定義如下：
可重復(fù)的、高精度的噪聲系數(shù)測(cè)量方法是非常重要的，本文討論其中三種典型方法：噪聲測(cè)試儀法、增益法和Y系數(shù)法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Y系數(shù)法的準(zhǔn)確度。
2 噪聲測(cè)試儀法
使用噪聲測(cè)試儀是測(cè)量噪聲系數(shù)最直接方法，在大多數(shù)情況下也是最準(zhǔn)確的。工程師可在特定的頻率范圍內(nèi)測(cè)量噪聲系數(shù)。噪聲測(cè)試儀能夠同時(shí)顯示增益和噪聲系數(shù)來(lái)幫助測(cè)量。噪聲測(cè)試儀的測(cè)試原理圖如圖1所示。
圖1 噪聲測(cè)試儀法原理圖
噪聲測(cè)試儀測(cè) 試噪聲系數(shù)的核心是Y系數(shù)法。首先，噪聲測(cè)試儀本身是一臺(tái)接收機(jī)，可以用來(lái)測(cè)試輸人的噪聲功率；其次噪聲測(cè)試儀需要控制一個(gè)噪聲源的加電和不加電狀態(tài)，對(duì)被測(cè)件(DUT)進(jìn)行測(cè)試。
噪聲系數(shù)測(cè)試儀，如AV3984噪聲系數(shù)分析儀，產(chǎn)生28VDC脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)噪聲源(AV16604)，該噪聲源產(chǎn)生噪聲驅(qū)動(dòng)DUT．由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，DUT的噪聲系數(shù)可以在內(nèi)部計(jì)算和在屏幕上顯示。
使用噪聲系數(shù)測(cè)試儀是測(cè)量噪聲系數(shù)的最直接方法。測(cè)量人員可在特定的頻率范圍內(nèi)測(cè)量噪聲系數(shù)，通常噪聲分析儀在超低的噪聲測(cè)量中準(zhǔn)確度更高一些，當(dāng)測(cè)量很高的噪聲系數(shù)時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確。
3 增益法
目前噪聲系數(shù)的測(cè)量主要使用專用的噪聲系數(shù)測(cè)試儀，但當(dāng)不具備這種專用設(shè)備或者所要求測(cè)試頻率范圍不在其范圍時(shí)，可以采用頻譜分析儀測(cè)量噪聲系數(shù)，即增益法，該方法對(duì)于頻率在所用頻譜儀頻率范圍內(nèi)的被測(cè)件都能進(jìn)行測(cè)量。
基于噪聲系數(shù)的定義可以得到一個(gè)測(cè)量公式 ：
式(3)中，Pout是已測(cè)的噪聲功率譜密度，-174 dBm/Hz是290°K(室溫)時(shí)環(huán)境噪聲的功率譜密度，BW是感興趣的頻率帶寬，Gain是系統(tǒng)的增益。式(3)中每個(gè)變量均為對(duì)數(shù)，為簡(jiǎn)化公式，我們可以直接測(cè)量輸出噪聲功率譜密度(dBm/Hz)，這時(shí)式(3)變?yōu)椋?br />
以接收機(jī)為例，測(cè)試原理如圖2所示。
圖2 增益法測(cè)試框圖
用信號(hào)源和頻譜儀測(cè)量出接收機(jī)的增益(在接收機(jī)能夠接收的電平范圍都可以，如 果感興趣的是接近接收機(jī)小信號(hào)時(shí)的噪聲系數(shù)，可以選擇接近靈敏度電平，比如小于- 100 dBm的信號(hào)強(qiáng)度)；為獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)的分辨帶寬(RBW)與視頻帶寬(VBW)，使頻譜儀上的基底噪聲看起來(lái)比較干凈。視頻帶寬越小，頻譜儀上顯示的基底噪聲越小，Pout讀數(shù)越準(zhǔn)確。
只要頻譜分析儀允許，這種方法可以適用于任何頻率范圍。通常噪聲分析儀在超低的噪聲測(cè)量中準(zhǔn)確度更高一些。對(duì)于系統(tǒng)增益非常高、噪聲系數(shù)非常高的場(chǎng)合，這種方法也很準(zhǔn)確。最大的限制來(lái)自于頻譜儀的噪聲基底。
4 Y系數(shù)法
Y系數(shù)法是測(cè)量噪聲系數(shù)的一種典型方法。Y系數(shù)是指當(dāng)被測(cè)件(DUT)的輸入端處于2個(gè)不同的資用噪聲功率時(shí)，在DUT的輸出端得到的2個(gè)相應(yīng)的資用噪聲功率之比。噪聲源是Y系數(shù)法測(cè)量必不可少的設(shè)備，噪聲源是能產(chǎn)生2種不同噪聲功率的噪聲發(fā)生器，一般需要用DC脈沖電源驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)DC驅(qū)動(dòng)電壓供電時(shí)相當(dāng)于噪聲源開(kāi)，稱為熱態(tài)，此時(shí)輸出大的噪聲功率；DC驅(qū)動(dòng)電源關(guān)閉時(shí)相當(dāng)于噪聲源關(guān)斷，稱為冷態(tài)，此時(shí)輸出常溫下的噪聲功率。噪聲源的熱溫與冷溫的差值稱為噪聲源的超噪比(ENR)。
測(cè)試原理如圖1所示，為了進(jìn)一步說(shuō)明其工作原理，下面導(dǎo)出它的工作方程。
當(dāng)噪聲源轉(zhuǎn)移到噪聲溫度T0時(shí)，DUT的輸出功率Pn為：
式(5)中，k為波爾茲曼常數(shù)，1.38*10- 23J/K，B為帶寬(Hz)，G為增益，Te為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)等效輸入噪聲溫度(K)。同理，當(dāng)噪聲源轉(zhuǎn)移到噪聲溫度Tn時(shí)，DUT的輸出噪聲功率Pn為：
設(shè)噪聲系數(shù)測(cè)試儀的增 益為C，則在上述兩種情況下，噪聲系數(shù)測(cè)試儀所檢測(cè)到的功率分別為CP0和CPn即：
對(duì)式(3)和式(4)聯(lián)立求解 Te并表示為F，即可得到：
式中，ENR是噪聲源的超噪比(dB)， Y=CPn/CP0，功率比值，通常稱為Y系數(shù)，F(xiàn)是噪聲系數(shù)(dB)。
圖3所示為Y系數(shù)量值發(fā)生器的組成原理圖。
圖3 Y系數(shù)發(fā)生器原理圖
首先使噪聲源工作在噪聲溫度T0(冷態(tài))，射頻衰減器置于0(dB)，標(biāo)準(zhǔn)衰減器置于A0(dB)，并使指示器指示在某一位置；然后，噪聲源工作在噪聲溫度Tn(熱態(tài))，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)衰減器使指示器的指示回到原來(lái)位置。設(shè)此時(shí)的衰減讀數(shù)為An，那么A = An - A0(dB)，可以得到Y(jié)系數(shù)的表達(dá)式為：
Y系數(shù)法適用于大范圍噪聲系數(shù)的測(cè)量，簡(jiǎn)單易行并且準(zhǔn)確度高，只需要知道噪聲源的ENR，并測(cè)量出噪聲源冷、熱2個(gè)狀態(tài)下的輸出噪聲功率，不用測(cè)量DUT的增益，因此在對(duì)噪聲系數(shù)準(zhǔn)確度做檢定時(shí)采用此方法。
噪音測(cè)試儀產(chǎn)品鏈接：http://www.91zenqing.cn/product/Noise-Tester/
噪聲系數(shù)是微波產(chǎn)品研制和生產(chǎn)過(guò)程中的一項(xiàng)主要測(cè)量參數(shù)，是表征接收機(jī)及其組成部件在有熱噪聲存在的情況下處理微弱信號(hào)能力的關(guān)鍵參數(shù)之一，噪聲系數(shù)的計(jì)量測(cè)試更是噪聲計(jì)量測(cè)試的重要內(nèi)容。
在工程上定義噪聲因子(F)為若線性兩端口網(wǎng)絡(luò)具有確定的輸入端和輸出端，且輸入端源阻抗處于290。K(室溫)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸入端信號(hào)噪聲功率比與網(wǎng)絡(luò)輸出端信號(hào)噪聲功率比的比值。
其中， Si為輸入信號(hào)功率，Ni為輸入噪聲功率，So 為輸出信號(hào)功率，No為輸出噪聲功率，G為兩端口網(wǎng)絡(luò)增益，Na為兩端口網(wǎng)絡(luò)本身的噪聲功率。
它明確地表明了由于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生噪聲，使網(wǎng)絡(luò)輸入端信噪比經(jīng)過(guò)該網(wǎng)絡(luò)傳輸后信噪比惡化的倍數(shù)，也就是傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)其輸出端總噪聲功率貢獻(xiàn)的大小。噪聲系數(shù)(NF)為噪聲因子的對(duì)數(shù)表達(dá)形式，定義如下：
可重復(fù)的、高精度的噪聲系數(shù)測(cè)量方法是非常重要的，本文討論其中三種典型方法：噪聲測(cè)試儀法、增益法和Y系數(shù)法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Y系數(shù)法的準(zhǔn)確度。
2 噪聲測(cè)試儀法
使用噪聲測(cè)試儀是測(cè)量噪聲系數(shù)最直接方法，在大多數(shù)情況下也是最準(zhǔn)確的。工程師可在特定的頻率范圍內(nèi)測(cè)量噪聲系數(shù)。噪聲測(cè)試儀能夠同時(shí)顯示增益和噪聲系數(shù)來(lái)幫助測(cè)量。噪聲測(cè)試儀的測(cè)試原理圖如圖1所示。
圖1 噪聲測(cè)試儀法原理圖
噪聲測(cè)試儀測(cè) 試噪聲系數(shù)的核心是Y系數(shù)法。首先，噪聲測(cè)試儀本身是一臺(tái)接收機(jī)，可以用來(lái)測(cè)試輸人的噪聲功率；其次噪聲測(cè)試儀需要控制一個(gè)噪聲源的加電和不加電狀態(tài)，對(duì)被測(cè)件(DUT)進(jìn)行測(cè)試。
噪聲系數(shù)測(cè)試儀，如AV3984噪聲系數(shù)分析儀，產(chǎn)生28VDC脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)噪聲源(AV16604)，該噪聲源產(chǎn)生噪聲驅(qū)動(dòng)DUT．由于分析儀已知噪聲源的輸入噪聲和信噪比，DUT的噪聲系數(shù)可以在內(nèi)部計(jì)算和在屏幕上顯示。
使用噪聲系數(shù)測(cè)試儀是測(cè)量噪聲系數(shù)的最直接方法。測(cè)量人員可在特定的頻率范圍內(nèi)測(cè)量噪聲系數(shù)，通常噪聲分析儀在超低的噪聲測(cè)量中準(zhǔn)確度更高一些，當(dāng)測(cè)量很高的噪聲系數(shù)時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確。
3 增益法
目前噪聲系數(shù)的測(cè)量主要使用專用的噪聲系數(shù)測(cè)試儀，但當(dāng)不具備這種專用設(shè)備或者所要求測(cè)試頻率范圍不在其范圍時(shí)，可以采用頻譜分析儀測(cè)量噪聲系數(shù)，即增益法，該方法對(duì)于頻率在所用頻譜儀頻率范圍內(nèi)的被測(cè)件都能進(jìn)行測(cè)量。
基于噪聲系數(shù)的定義可以得到一個(gè)測(cè)量公式 ：
式(3)中，Pout是已測(cè)的噪聲功率譜密度，-174 dBm/Hz是290°K(室溫)時(shí)環(huán)境噪聲的功率譜密度，BW是感興趣的頻率帶寬，Gain是系統(tǒng)的增益。式(3)中每個(gè)變量均為對(duì)數(shù)，為簡(jiǎn)化公式，我們可以直接測(cè)量輸出噪聲功率譜密度(dBm/Hz)，這時(shí)式(3)變?yōu)椋?br />
以接收機(jī)為例，測(cè)試原理如圖2所示。
圖2 增益法測(cè)試框圖
用信號(hào)源和頻譜儀測(cè)量出接收機(jī)的增益(在接收機(jī)能夠接收的電平范圍都可以，如 果感興趣的是接近接收機(jī)小信號(hào)時(shí)的噪聲系數(shù)，可以選擇接近靈敏度電平，比如小于- 100 dBm的信號(hào)強(qiáng)度)；為獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確的噪聲密度讀數(shù)，選擇最優(yōu)的分辨帶寬(RBW)與視頻帶寬(VBW)，使頻譜儀上的基底噪聲看起來(lái)比較干凈。視頻帶寬越小，頻譜儀上顯示的基底噪聲越小，Pout讀數(shù)越準(zhǔn)確。
只要頻譜分析儀允許，這種方法可以適用于任何頻率范圍。通常噪聲分析儀在超低的噪聲測(cè)量中準(zhǔn)確度更高一些。對(duì)于系統(tǒng)增益非常高、噪聲系數(shù)非常高的場(chǎng)合，這種方法也很準(zhǔn)確。最大的限制來(lái)自于頻譜儀的噪聲基底。
4 Y系數(shù)法
Y系數(shù)法是測(cè)量噪聲系數(shù)的一種典型方法。Y系數(shù)是指當(dāng)被測(cè)件(DUT)的輸入端處于2個(gè)不同的資用噪聲功率時(shí)，在DUT的輸出端得到的2個(gè)相應(yīng)的資用噪聲功率之比。噪聲源是Y系數(shù)法測(cè)量必不可少的設(shè)備，噪聲源是能產(chǎn)生2種不同噪聲功率的噪聲發(fā)生器，一般需要用DC脈沖電源驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)DC驅(qū)動(dòng)電壓供電時(shí)相當(dāng)于噪聲源開(kāi)，稱為熱態(tài)，此時(shí)輸出大的噪聲功率；DC驅(qū)動(dòng)電源關(guān)閉時(shí)相當(dāng)于噪聲源關(guān)斷，稱為冷態(tài)，此時(shí)輸出常溫下的噪聲功率。噪聲源的熱溫與冷溫的差值稱為噪聲源的超噪比(ENR)。
測(cè)試原理如圖1所示，為了進(jìn)一步說(shuō)明其工作原理，下面導(dǎo)出它的工作方程。
當(dāng)噪聲源轉(zhuǎn)移到噪聲溫度T0時(shí)，DUT的輸出功率Pn為：
式(5)中，k為波爾茲曼常數(shù)，1.38*10- 23J/K，B為帶寬(Hz)，G為增益，Te為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)等效輸入噪聲溫度(K)。同理，當(dāng)噪聲源轉(zhuǎn)移到噪聲溫度Tn時(shí)，DUT的輸出噪聲功率Pn為：
設(shè)噪聲系數(shù)測(cè)試儀的增 益為C，則在上述兩種情況下，噪聲系數(shù)測(cè)試儀所檢測(cè)到的功率分別為CP0和CPn即：
對(duì)式(3)和式(4)聯(lián)立求解 Te并表示為F，即可得到：
式中，ENR是噪聲源的超噪比(dB)， Y=CPn/CP0，功率比值，通常稱為Y系數(shù)，F(xiàn)是噪聲系數(shù)(dB)。
圖3所示為Y系數(shù)量值發(fā)生器的組成原理圖。
圖3 Y系數(shù)發(fā)生器原理圖
首先使噪聲源工作在噪聲溫度T0(冷態(tài))，射頻衰減器置于0(dB)，標(biāo)準(zhǔn)衰減器置于A0(dB)，并使指示器指示在某一位置；然后，噪聲源工作在噪聲溫度Tn(熱態(tài))，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)衰減器使指示器的指示回到原來(lái)位置。設(shè)此時(shí)的衰減讀數(shù)為An，那么A = An - A0(dB)，可以得到Y(jié)系數(shù)的表達(dá)式為：
Y系數(shù)法適用于大范圍噪聲系數(shù)的測(cè)量，簡(jiǎn)單易行并且準(zhǔn)確度高，只需要知道噪聲源的ENR，并測(cè)量出噪聲源冷、熱2個(gè)狀態(tài)下的輸出噪聲功率，不用測(cè)量DUT的增益，因此在對(duì)噪聲系數(shù)準(zhǔn)確度做檢定時(shí)采用此方法。
噪音測(cè)試儀產(chǎn)品鏈接：http://www.91zenqing.cn/product/Noise-Tester/
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