噪声！究竟有多烦人？你得好好研究一下

　　＂不想听的都是噪声。＂噪声可以是夜幕下跑车的轰鸣，可以是隔壁小孩拿棍子敲出的＂音符＂……
　　但，噪声不只是那么简单。
　　按照噪声产生的机理，噪声大致可以分为：热噪声、散粒噪声、闪烁噪声、等离子体噪声、量子噪声。其中热噪声是最基本的一种噪声，可以说是无处不在的。
　　热噪声又称为Johanson或Nyquist噪声，是由电子的热运动产生的。在绝对零度(0K：约为-273.15℃)以上，就会存在自由电子的热运动。因此，几乎所有的器件/设备，都会产生热噪声。
　　那么研究噪声影响有何意义？
　　在无线电波信号处理和传播过程中，尤其是现代5G通信、国防与航空航天等领域，为了处理当今应用所需的更高数据容量，LNA低噪放大器及其他系统组件的带宽不断增加，这意味着噪声水平优化也必须适应相同的带宽领域。
　　对于5G通信来说，网络密集化是有效实施 5G 的必要条件。通过增加每个区域的接入点数量，并在每个接入点部署更多的高灵敏度和高动态范围的发射器和接收器，从而提高密集化程度，以提升无线网络的整体容量和吞吐量，也就意味着需要更高的SNR 支撑。同时，5G具有更高的传输带宽，高达100或200MHz，便出现超带宽的LNA以支持多个5G频段，从而简化产品设计、减小尺寸，这要求LNA 必须在整个带宽范围内具备出色的噪声系数和 EVM 特性。而对于国防和航天领域，特别是军事雷达、卫星通信、电子战通信和数字接收器等应用，小尺寸、轻量级、高集成度的产品是大势所趋。较高的噪声系数直接限制了雷达最远探测距离。
　　可以看到—— 噪声系数性能无疑是现代化通信应用的关键之一。 这个名词你也许陌生，但我们今天会带你认识。当再一次提到的时候，或许你会觉得曾经有所耳闻。
　　1、about Noise Figure
　　如前文所说，除非绝对零度，否则几乎所有的器件/设备，都会产生热噪声。以放大器为例，由于放大器有一定的增益，所以输入端的信号和噪声都会在输出端增加。为了表征这种系统环境，信噪比（SNR）就是一个关键的指标，它是信号功率与噪声的比值。
　　理想条件下，放大器输入端的信噪比应等于放大器输出端的信噪比。但实际情况下，输出端信噪比会小于输入端信噪比。
　　对于这种情况，我们自然是要求变化的程度越小越好。就可以引入噪声因子F（Noise Factor）和噪声系数NF（Noise Figure）来量化变化程度。
　　噪声因子和噪声系数适用于表征线性二端口网络或线性二端口变换器系统的噪声特性，包括准线性电路，即接收机检波器之前的部分。噪声因子和噪声系数的表示方法有很多， IEEE给出的噪声因子定义为 :  在290K温度下,器件输出的总噪声功率与仅仅输入噪声功率引起的输出噪声功率的比值。
　　最早定义之一是由Harold Friis在20世纪40年代提出，噪声因子被定义为输入端信噪比与输出端信噪比之间的比值——
　　噪声系数是噪声因子的对数标度值——
　　可以假设当低噪声你用放大器(LNA)使雷达接收机噪声系数提高1dB，则你的系统性能提高了10倍左右。
　　而另一个定义，是在-174dBm/Hz的常温热噪声功率下，特定有源器件和无源器件额外引入的噪声功率，以dB为单位。该定义与IEEE对噪声因子的定义相吻合，已被广泛接受。假设DUT增益为G。则在290K常温，且50Ω阻抗匹配情况下。
　　输入噪声功率可以表示为——
　　而输出噪声功率，所产生的噪声可以等效为热噪声，则其对应的等效温度即可假设为Te，则等效的噪声功率可以表示为——
　　则噪声因子可表示并简化为——
　　噪声系数为按照NF = 10log(F)计算即可。  如上是单个DUT的噪声因子和噪声系数的计算，而系统一般包含多个DUT。
　　难怪人们会说，学好数理化，不如有个好爸爸 ，走遍天下都不怕呢。
　　那么，如何去计算噪声系数？也就是级联噪声系数。就让我们进入下一章节—— 测测我想要说的，是另一组公式。
　　2.如何去计算噪声系数？
　　首先，来po张图说明下——
　　＂可以看到第一级器件的噪声系数决定了整个系统的噪声系数。＂
　　此刻测测的语境中，＂计算的算＂成了我最想表达的——
　　＂我真的努力算了，还是算了吧。＂
　　3、测量方法：
　　＂如何测量噪声系数呢？＂
　　＂Y系数法和冷源法。＂
　　Y系数法： 即用校准过的噪声源引入LNA或PA，将DUT和信号分析仪并在噪声源接通和关闭时测量噪声功率。即通过切换＂热＂/＂冷＂状态以提供两种不同输入噪声功率的噪声源和噪声接收机（如频谱分析仪）
　　这里需要知道业界为了衡量噪声源输出能力所定义的超噪比指标，ENR（Excess Noise Ratio），该值通常由噪声源生产厂商在出厂时与噪声源一并提供。该值同样是基于室温T0=290K情况下给出，即——
　　那么根据已知的超噪比再反推热态噪声：
　　通过两次测试即可建立一个直线，如下图：
　　冷热两态下待测件输出噪声功率线性值比值即被称为Y系数——
　　则最终通过计算可得噪声因子：
　　转化为噪声系数：
　　由此，通过测试Y系数结合噪声源的ENR指标，即可测得待测网络的噪声系数。
　　而实际测试中，用于噪声功率测试的频谱分析仪本身也会产生噪声功率，叠加到总的噪声功率，所以通常也需要测试频谱分析仪自身的噪声系数并通过级联噪声公式消除该影响。这一过程通常称为第二级校准，通过Y系数法就可得到频谱仪的噪声因子FSA。
　　经过校准后，再加上DUT，即可得到待测件与频谱分析仪的噪声因子FDUT&SA。则可得出待测件的噪声因子为：
　　-
　　冷源法： 相对于传统的＂冷/热＂状态切换测试的Y系数法，采用具有＂冷源＂的矢量网络分析仪方法则与此不同，无需使用噪声源。DUT的输出噪声绝对功率是DUT的增益对DUT的固有噪声进行放大后的结果，对被测设备进行冷源噪声功率测量和可用的增益测量，就可以从测量结果中把经放大的输入噪声扣除，便足以确定设备的噪声系数。
　　使用冷源技术，是在噪声系数、噪声因子、噪声温度、线性增益、对数增益、线性功率、对数功率等不同量之间进行转换，以实现噪声系数的测量。
　　那么到底什么时候选择Y系数法，什么时候选择冷源法呢？在测量方法的选择上，贴心测测已经为大家总结了，下图看看——
　　4、选啥方案？
　　什么值得买？
　　无论是Y系数法还是冷源法，很多厂商都有多种测试噪声系数的解决方案。引发了研发/测试工程师们的犹豫，到底该怎么选呢？
　　就让我们看看什么才是真正懂经的人用的吧。
　　01.
　　Y系数法
　　Y系数法测试设备选择规则：
　　a) 待测件的噪声系数与增益之和比选用频谱仪的噪声系数要大5dB。
　　b) 噪声源的超噪比要比待测件的噪声系数大5dB。
　　c) 噪声源的超噪比要比频谱仪的噪声系数大3dB。
　　/
　　FPL 1000
　　频谱分析仪
　　单机可执行多种测量任务的仪器 。该仪器不仅支持频谱分析，而且支持结合使用功率探头进行高度精确的功率测量，以及分析模拟和数字调制信号。
　　/
　　FSW
　　信号与频谱分析仪
　　它具备较高的内部分析带宽，可对宽带组件和通信系统进行特征校准。该仪器具备出色的相位噪声，有助于开发适用于雷达等应用的高性能振荡器。
　　/
　　ZNL
　　矢量网络分析仪
　　便携式网络分析仪，可选的频谱分析仪（带独立连续波信号源）和功率探头。 基本型号支持5kHz至20GHz的频率范围 ，6GHz型号可扩展以配备全集成式频谱分析仪，并且支持射频功率计。另外， 频谱分析功能还支持连续波信号发生器选件 。
　　ZNL多合一矢量网络分析仪，矢量网分+频谱选件+噪声系数选件，即可满足Y系数法的设备要求）。
　　/
　　配件&软件
　　FS-SNS智能噪声源
　　K30噪声系数与增益测量选件
　　02.
　　冷源法
　　冷源法测试设备选择规则：
　　a) 必须尽可能增加接收机的动态范围（尽可能放大S参数和噪声功率的输出功率之间的差异）
　　b) 网分NF

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