射频微波噪声系数测量基础知识

什么是噪声系数？

现代接收系统需要经常处理非常微弱的信号，而这样的信号往往会被系统元器件带来的噪声所掩盖。灵敏度、比特误码率 (BER)和噪声系数是表征低电平信号处理能力时用到的系统参数。在这些参数中，噪声系数别具一格，因为它不仅适用于表征整个系统，还适用于表征构成系统的各种元器件，如前置放大器、混频器和中频放大器。设计人员可以通过控制系统元器件的噪声系数和增益来直接控制整个系统的噪声系数。一旦知道了噪声系数，我们就能根据系统带宽轻松估算系统灵敏度。噪声系数经常是区分不同系统、不同放大器和不同晶体管性能的关键参数。噪声系数技术指标的广泛应用，意味着供应商与其客户之间务必要实现高度可重复性的精确测量。

测量网络噪声特性是为了最大限度地减少接收系统中产生的噪声问题。控制噪声的方法之一是让微弱的信号变强。我们可以通过提高发射向接收机的信号功率，或者增加接收天线获取的功率量（如增加接收天线的孔径）来实现这一目标。但提高天线增益通常意味着需要更大的天线，而提高发射机功率终将受到政府法规、施工措施或经济因素的制约。还有一种方法是降低接收机内元器件产生的噪声。噪声测量有助于确保尽量抑制增加的噪声。

一旦噪声融入信号，接收机元器件就无法将信号频段中的噪声与正常的信号波动区分开来，信号和噪声会被一并处理。如果信号电平随着增益而提高，噪声电平也会随之同样增加。本文是噪声测量系列应用指南中的一篇，主要内容包括大多数噪声系数测量的常用知识或背景资料。读者可以将本文当作噪声系数测量的入门。用户既希望噪声测量高度可重复、准确且有意义，又想避免复杂的手动测量和计算，这一需求推动了具有简单用户界面的噪声系数测量仪器的开发。使用这些仪器无需用户具备丰富的噪声理论知识。当然，稍微了解一点噪声背景知识可能有助于用户增加把握，更全面地掌握射频和微波系统中的噪声情况。本应用指南还列出了进一步了解噪声系数测量可以参考的其他文献。文中方括号 ([ ]) 内的数字对应的是参考文献编号。相关的是德科技公司文献和网络资源列于本应用指南结尾处。

噪声在通信系统中的重要性

在通信系统中，接收系统输出端的信噪比 (S/N) 是一个非常重要的指标。在存在噪声的情况下辨别或收听无线电信号通常有点困难。不过，解析音频信息这种能力很难量化，因为它取决于语言熟悉程度、疲劳程度、训练、经验和信息的性质等人为因素。噪声系数和灵敏度是可以测量的客观品质因素。噪声系数与灵敏度密切相关（参见术语表中的“灵敏度”）。在数字通信系统中，定量可靠性量度通常以比特误码率 (BER) 或接收的比特出现误码的概率表示。BER 与噪声系数呈非线性关系。例如，当信噪比逐渐下降时，BER 会在 1 和 0 变得混淆的噪声电平附近突然上升。噪声系数显示系统是否健康，而 BER 则显示系统的死活。图 1-1 显示了几种数字调制类型下的误码概率与载波噪声比的关系，从中可以看到，信噪比的变化只有几个 dB，而 BER 的变化有几个数量级。

输出信噪比取决于两个因素：输入信噪比和噪声系数。在地面系统中，输入信噪比与发射功率、发射机天线增益、大气传输系数、大气温度、接收机天线增益和接收机噪声系数有关。降低接收机噪声系数对输出信噪比的影响与提高其他任何一个因素的影响相当。

在卫星系统中，噪声系数可能尤其重要。我们来看一个降低直播卫星 (DBS)系统接收机噪声系数的例子。还有一种改进接收机噪声系数的方式是增加发射机功率，不过，这种方式的实施成本可能比较高。更好的替代方案，就是大幅度提升接收机低噪声放大器 (LNA) 的性能。提升 LNA 的性能比增加发射机功率更容易。

在卫星接收机生产线上，通过调整阻抗电平或谨慎地选择特定晶体管，可以很容易地将噪声系数降低 1 dB。噪声系数降低1 dB 的效果与天线直径增加 40% 的效果大致相当。但是，增加天线直径可能会改变设计，显著提高天线和支撑结构的成本。噪声有时候是发射机设计的一个重要参数。举个例子，如果在基站上使用线性宽带功率放大器，过多的宽带噪声会降低相邻信道的信噪比，并且会限制系统的有效性。可以测量出功率放大器的噪声系数，以便在安装到系统之前获知品质因数，从而确保噪声电平在可接受范围内。

噪声源

通过噪声测量表征的噪声，包括电气设备中普遍存在的自发波动。热噪声来源于传导电子和空穴因有限温度而产生的振动。一部分振动在相关频段内有频谱分量，并对信号产生噪声。热噪声产生的噪声谱在射频和微波频率上接近均匀。由热源输送到阻抗匹配负载的功率为 kTB 瓦，其中 k 为玻尔兹曼常数（1.38 x 10-23焦耳/K），T 为温度（单位：K），B 为系统的噪声带宽。可用功率与源阻抗无关。进入匹配负载的可用功率与带宽成正比，因此带宽提高一倍，传送至负载的功率也提高一倍。（见术语表中的“热噪声”。）

散粒噪声源于电流的量化性质（见术语表中的“散粒噪声”）。自然界发生的其他随机现象被量化后以散粒噪声的方式形成噪声。这样的例子包括半导体中空穴/电子对的产生和复合（G-R 噪声），以及发射机电流在晶体管基极到集电极之间的分配（分配噪声）。这类噪声的形成机制具有与热噪声相似的特性，即频谱基本保持均匀，在整个射频和微波频率范围内生成相等的功率密度。

电气器件中产生随机噪声的原因有很多。噪声表征通常指的是元器件中所有原因的综合效应。人们通常认为综合效应是由热噪声引起。器件具有特定噪声温度并不意味着该元器件就具有同样的物理温度，而仅仅意味着其噪声功率相当于该温度对应的热源。尽管噪声温度与物理温度并不直接对应，但可能存在一定的温度相关性。当器件冷却至环境温度以下时，可以实现非常低的噪声系数。

本应用指南中提到的噪声不包括人为干扰，尽管这种干扰在接收微弱信号时非常重要。本应用指南不涉及点火、火花产生的噪声，也不涉及意外拾取的杂散信号。本应用指南不涉及大气中的电风暴等不稳定扰动。这类噪声问题通常通过重新定位、滤波和适当屏蔽等技术手段解决。不过，这样的噪声源在这里都很重要，从某种意义上说，它们干扰了本文所探讨的自发噪声的测量。LNA 制造商可能很难测量噪声系数，因为附近通常有基站在他们用来进行敏感测量的频率上发射射频功率。考虑到这一点，噪声系数测量通常是在屏蔽室内完成。

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