變頻器件的噪聲系數測量

電子測試技術重點實驗室　中國電子科技集團公司第41研究所　宋青娥中國電子科技集團公司第41研究所　許建華　梁勝利

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變頻器件的噪聲系數測量

電子測試技術重點實驗室中國電子科技集團公司第41研究所宋青娥
中國電子科技集團公司第41研究所許建華梁勝利

對變頻器件的噪聲系數測量是噪聲系數分析儀的一項重要功能，在進行變頻器件噪聲系數測量時，校準后噪聲源還直接連在噪聲系數分析儀的輸入端口，此時噪聲系數和增益顯示值通常不為零。本文從測量原理上說明了校準后噪聲系數和增益顯示值不為零的原因及對測量結果的影響；重點分析了在實際應用中影響變頻器件噪聲系數測量精度的因素；并給出了變頻器件噪聲系數測量注意事項；最后給出小結，噪聲系數的測量精度不僅和選用的測量儀器有關，并且和測量方法和測量注意事項密切相關。

變頻器件；噪聲系數；歸零誤差；邊帶；本振泄露

1　引言

噪聲系數是線性網絡對傳輸信號的信噪比惡化程度的度量，對于非線性網絡，信號與噪聲通過時會產生非線性變換，使輸出端的信噪比隨輸入信號的大小而變化，噪聲系數的概念對它不再適用。變頻器件雖然是一個非線性器件，但是由于變頻器件只是把頻譜進行了搬移，輸出與輸入頻譜分量沒有相對的變化，因此可以作為準線性器件，能夠通過噪聲系數表征其本身的噪聲特性［1］。

2　變頻模式下噪聲儀校準后增益和噪聲系數顯示值不為零的原因

現代噪聲系數分析儀（以下簡稱噪聲儀）支持變頻器件噪聲系數測量，并提供了固定中頻、可變本振和固定本振、可變中頻兩種模式設置，分別用于考察變頻器件的射頻噪聲響應和中頻噪聲響應特性。對被測件的噪聲系數測量首先需要對噪聲儀進行校準，然后接上被測件測量，得到被測件二級修正的噪聲系數［2］。

校準時，噪聲源直接連接在噪聲儀的射頻輸入端，由于噪聲儀的工作頻率是變頻器件的中頻（IF）頻率，噪聲儀僅在中頻頻率上進行校準。噪聲源作為噪聲功率測量的標準，提供中頻激勵源，校準時噪聲儀調用和變頻器件中頻頻率對應的超噪比（ENR）值。

測量時，噪聲源連接在變頻器件的射頻端口，提供射頻激勵源，與本振混頻輸出中頻信號，中頻輸出連接至噪聲儀的射頻輸入端，測量時噪聲儀調用和變頻器件射頻頻率點對應的ENR值。

校準完畢后，噪聲儀自動切換至已修正的測量狀態，此時如果噪聲源仍然連接在噪聲儀的輸入端口，未連接被測件，噪聲儀接收的測量功率和校準時測得的功率相同，而ENR的調用自動由中頻頻率切換至射頻頻率所對應的值，因此校準后的被測件的增益顯示值：

由噪聲系數的級聯公式可得，校準后被測件的噪聲系數顯示值：

3　影響變頻器件噪聲系數測量精度的因素

3.1邊帶的影響

在噪聲系數測量中，作為測量標準激勵的噪聲源輸出寬帶白噪聲，如果變頻器件輸入端不加濾波器，上邊帶（USB）fLO+fIF和下邊帶（LSB）fLO-fIF的輸入噪聲信號都被變頻到中頻，如圖1所示［3］。這種測量稱為雙邊帶測量，其優點是可極大簡化對濾波要求，但是降低了噪聲系數測量的頻率分辨率和測量精度。由于噪聲儀對兩個邊帶變頻輸出的中頻信號進行接收，所顯示的測試值是上下邊帶變頻輸出噪聲的總和。而雙邊帶測量計算過程中，ENR調用的是本振（LO）頻率點處的值［4］，近似于上下邊帶的噪聲功率平均值。若噪聲源的輸出噪聲功率在上下邊帶之間起伏過大，則上下邊帶噪聲功率平均值可能遠離上下邊帶輸入噪聲功率的真實值，引起測試誤差。

圖1　雙邊帶測量的響應

當變頻器件工作在雙邊帶模式，存在信號響應和鏡像響應時：

式中：

B1和G1是鏡像通道的帶寬與增益；B2和G2是鏡像通道的帶寬與增益；FS和FD分別是單、雙邊帶噪聲系數。

若G1=G2，B1=B2，則FS=2FD，即雙響應接收機的單邊帶噪聲系數是其雙邊帶噪聲系數的兩倍，用dB表示，FS=FD+3dB。

3.2中頻頻率選擇的影響

為減小干擾，變頻器件中頻（IF）的選擇應參考無線電頻率管理，盡量避開通訊常用的信號頻率，并且避開噪聲儀內部時鐘頻率或時鐘頻率整數倍的頻率。

3.3抖動的影響

為獲得相對穩定的測量結果，必須有足夠的測量次數。采用多次測量平均的方法可減小抖動，但不能完全消除抖動的影響。平均次數越多，則測試時間越長，因此平均次數的選取與測試時間之間應折衷考慮。

3.4測試系統溫度變化的影響

溫度變化是導致噪聲功率測量誤差的一個原因。噪聲功率是溫度的普適函數，噪聲儀和被測件的噪聲系數在不同溫度下是不同的。

4　小結

目前國內AV系列噪聲儀，具有極低的本機噪聲系數、依據損耗的頻響進行完善的補償、自動冷溫度探測和噪聲系數二級修正并配置噪聲系數測量不確定計算器等優點，測量結果相比上一代分體式儀器更加精確。但是在進行變頻器件噪聲系數測量時，有必要了解一些測試的基本原理以及影響測量精度的因素。精確的噪聲系數測量不僅和選用測試儀器設備有關，也和測量方法及測量注意事項密切相關。

［1］Reinhold Ludwig and Gene Bogdanov射頻電路設計-理論與應用［M］.北京:電子工業出版社 311-356.

［2］KEYSIGHT TECHNOLOGY Noise Figure Measurement Accuracy. The Y-Factor Method（AN 57-2），literature number 5952-3706E29-33 www.keysight.com/find/nf.

［3］KEYSIGHT TECHNOLOGY 10 Hints for Making Successful Noise Figure Measurement.（AN 57-3），literature number 5980-0288E. 9-10 www.keysight.com/find/nf.

［4］KEYSIGHT TECHNOLOGY Noise Figure Measurements of Frequency Converting Devices（AN 1487）， literature number 5989-0400E. 5-7 www.keysight.com/find/nf.

［5］《數字通信測量儀器》編寫組編.數字通信測量儀器［M］.北京:人民郵電出版社，2007.2:525-526.

宋青娥，1997年于西安電子科技大學獲得學士學位，現為中國電子科技集團公司第四十一研究所高級工程師，主要研究方向為噪聲系數測試技術和儀器設計。

SONG Qing’e received her B.Sc.degree in 1997 from Xidian University， now she is a senior engineer in the 41st Research Institute of CETC. Her main research interests include noise figure measurement technique and instrument design.