噪声系数测量手册
Part 1. 噪声系数定义及测试方法
安捷伦科技： 顾宏亮
一. 噪声系数定义
最常见的噪声系数定义是：输入信噪比 / 输出信噪比。它是衡量设备本身噪声品质的重要参数,它反映
的是信号经过系统后信噪比恶化的程度。 噪声系数是一个大于1的数，也就是说信号经过系统后信噪比是
恶化了。噪声系数是射频电路的关键指标之一，它决定了接收机的灵敏度，影响着模拟通信系统的信噪比
和数字通信系统的误码率。无线通信和卫星通信的快速发展对器件、子系统和系统的噪声性能要求越来越
高。
输入信噪比SNR
input=P
i/N
i
输出信噪比SNR
output=P
o/N
o
噪声系数 F = SNR
input/SNR
output 通常用dB 来表示 NF= 10Log(F)
假设放大器是理想的线性网络，内部不产生任何噪声。那么对于该放大器来说,输出的功率Po以及输出
的噪声No 分别等于 Pi * Gain以及 Ni*Gain。这样噪声系数=(Pi/Ni)/(Po/No)=1。但是现实中，任何放大器的
噪声功率输出不仅仅有输入端噪声的放大输出，还有内部自身的噪声(Na)输出，下图为线性双端口网络的图
示。
双端口网络噪声系数分析框图
Vs: 信号源电动势 Rs: 信号源内阻
Ri: 双端口网络输入阻抗 RL: 负载阻抗
Ni: 输入噪声功率 Pi: 输入信号功率
No: 输出噪声功率 Po: 输出信号功率
Vn: 该信号源内阻Rs的等效噪声电压 Ro: 双端口网络输出阻抗
输出噪声功率: N
o = N
i * Gain + N
a ; P
o=P
i * Gain
噪声系数= (P
i * N
o)/(N
i* P
o) = (N
i * Gain + N
a) /(N
i * Gain)= 1 + Na/(N
i * Gain) > 1 根据IEEE的噪声系数定义:
The noise factor, at a specified input frequency, is defined as the ratio
噪声系数的测量方法
噪声系数是指放大器输入信号与输出信号之间的信噪比的比值。在电子系统中，噪声系数是衡量放大器噪声性能的重要指标。下面将介绍几种常用的测量噪声系数的方法。
1.级联噪声法：
级联噪声法是最常用的测量噪声系数的方法之一、它利用级联放大器的总噪声系数计算出前面的放大器的噪声系数。具体的步骤如下：
a.在待测放大器之前设置一个已知的参考放大器，并测量此参考放大器的噪声系数。
b.将待测放大器与参考放大器级联，并测量级联放大器的总输入输出电压和噪声功率。
c.利用总放大器的输入输出电压和已知的参考放大器的噪声系数计算出内嵌放大器的噪声系数。
2.可变增益噪声法：
可变增益噪声法是另一种测量噪声系数的常用方法。它通过调整放大器的增益，使其与一个已知参考噪声源声压相等，从而测量出待测放大器的噪声系数。具体的步骤如下：
a.在待测放大器的输入端接入一个参考噪声源，并调整其声压使其与待测放大器的输出噪声相等。
b.测量参考噪声源的声压和待测放大器的输入输出电压。 c.利用已知的参考噪声源的噪声功率和声压计算出待测放大器的噪声功率和噪声系数。
3.热噪声法：
热噪声法是一种常用的测量噪声系数的方法，特别适用于宽频带和高频段的放大器。热噪声法利用了热噪声在环境温度下的特性，通过直接测量输出噪声电压和环境温度来计算噪声系数。具体的步骤如下：
a.测量放大器的输出噪声电压并记录。
b.测量环境温度并记录。
c.利用热噪声公式计算出放大器的噪声功率。
d.利用输入信号和已知的电阻值计算出放大器的输入信号功率。
e.利用已知的输入信号功率和噪声功率计算出放大器的噪声系数。
除了上述传统的测量方法之外，还有一些新的测量噪声系数的方法正在不断涌现，如矢量分析器法、差分噪声法、噪声大师法等。这些方法在特定的应用场景下有着更高的测量精度和更广的测量范围。
总结起来，测量噪声系数的常用方法有级联噪声法、可变增益噪声法、热噪声法等。根据不同的应用场景和要求，选择合适的方法来测量噪声系数，有助于评估放大器的噪声性能，进而提高信号传输的质量。
数字TR组件噪声系数测量作者：孙灯亮
数字雷达在国内蓬勃发展，其关键部件数字TR组件的噪声系数测量一直是难题。
来自安捷伦的微波专家：王凡，通过理论分析和大量实践解决了这个难题。
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1. 数字TR组件噪声系数定义
1.1 噪声系数概念和测试方法
噪声系数是衡量接收机灵敏度的直接指标，噪声系数定义为器件输出端总噪声功率输出和仅有输入端引入的噪声（一般就是白噪声）在输出端的噪声功率之比，公式如下：
输出噪声总功率可以写成：
由于此，我们知道输出噪声功率和输入噪声功率成线性关系。如下图所示：
在被测的输入端使用噪声源提供冷态Tc和热态Th两种噪声功率，并测量两种情况下的输出功率N1、N2，计算出Y因子。通过推导我们可以知道被测件的噪声系数和Y因子的关系。
其中ENR即是噪声源的超噪比，以dB为单位。Y使用线性值。
Y因子法具有一些突出的优点，例如，Y因子法无需测量输出噪声功率的绝对值，只需要测量输出噪声功率的相对值，这样只要接收机的线性度够好，就能满足测试需求。
1.2 数字TR组件噪声系数概念 数字TR组件和传统模拟组件的区别在于其输出信号是数字信号，其接收链路的噪声系数由级联的模拟前端和AD的噪声共同贡献，所以：
上式中，
No是数字输出端噪声总功率，G1是模拟前端的增益，Na1是模拟前端的噪声贡献，NAAD是AD的噪声贡献，系统认为AD的增益为一。
数字TR组件的噪声系数和传统模拟器件的噪声系数的定义是相同的，也可以采用相同的测量方法。但是，对于AD输出的数字信号的功率定义是需要明确的。虽然我们可以根据ADC的参考电压计算出数字信号所对应的功率值，但是实际上数字信号的功率是没有绝对意义的，只需要考虑相对值。在数字TR噪声系数测试时，采用Y因子法，我们也只需要获得冷热两种噪声激励时功率的比值。
noise figure 噪声系数
噪声是指信号处理系统中不希望的杂音或干扰。在设计和分析接收机、放大器等系统时，噪声成为了不可或缺的因素。而噪声系数（Noise Figure）则是表示信号处理器件增益中采集到的噪声功率与采集到的信号功率之比的一个重要参数。本文将围绕“噪声系数”这一主题，对它的作用、计算和测量等方面进行阐述。
一、噪声系数的作用
噪声系数是一个直接反映接收机、放大器等电子器件噪声性能好坏的参数。通常情况下，设一个器件的输入信号功率为Pin，则它的输出功率为Pout。而器件内部存在一个噪声功率Pn，噪声系数就可以用如下公式来表示：
NF=（Signal-to-Noise Ratio）out / （Signal-to-Noise
Ratio）in
其中，“Signal-to-Noise Ratio”in表示输入信号功率与输入噪声功率的比值，“Signal-to-Noise Ratio”out 表示输出信号功率与输出噪声功率的比值。该公式表明了在输入信号功率相同的情况下，输出噪声功率越小，噪声系数越小。当噪声系数越小的时候，系统就越容易实现高精度和高灵敏度的信号接收和处理。因此，噪声系数是衡量接收机/放大器等电子器件性能好坏的关键性能指标之一。
二、噪声系数的计算
计算噪声系数的方法有两种，一种是使用实际的噪声功率和信号功率值计算。另一种方法则是使用噪声指数（Noise Figure Index）来计算，而噪声指数它的公式为：
NI=10 log10(1+NF)
噪声指数是指把噪声系数的负对数乘以10以及再加上1后所得到的值，单位通常为dB。噪声系数和噪声指数的转换是通过取10的幂函数来实现的。
三、噪声系数的测量 噪声系数的测量需要通过噪声测试仪进行。噪声测试仪能够将器件输入端的噪声功率和输出端的噪声功率进行测量，从而得到噪声系数的值。通常，噪声测试仪的输入端是通过噪声发生器来产生随机噪声信号，输出端连接待测试的器件。测试过程中，应注意接收机/放大器等电子器件的负载匹配问题，否则会使测试结果产生偏差。
