變頻器件的噪聲系數(shù)測(cè)量

電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所　宋青娥中國(guó)電子科技集團(tuán)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(shù)測(cè)量

電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所宋青娥
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所許建華梁勝利

對(duì)變頻器件的噪聲系數(shù)測(cè)量是噪聲系數(shù)分析儀的一項(xiàng)重要功能，在進(jìn)行變頻器件噪聲系數(shù)測(cè)量時(shí)，校準(zhǔn)后噪聲源還直接連在噪聲系數(shù)分析儀的輸入端口，此時(shí)噪聲系數(shù)和增益顯示值通常不為零。本文從測(cè)量原理上說(shuō)明了校準(zhǔn)后噪聲系數(shù)和增益顯示值不為零的原因及對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；重點(diǎn)分析了在實(shí)際應(yīng)用中影響變頻器件噪聲系數(shù)測(cè)量精度的因素；并給出了變頻器件噪聲系數(shù)測(cè)量注意事項(xiàng)；最后給出小結(jié)，噪聲系數(shù)的測(cè)量精度不僅和選用的測(cè)量?jī)x器有關(guān)，并且和測(cè)量方法和測(cè)量注意事項(xiàng)密切相關(guān)。

變頻器件；噪聲系數(shù)；歸零誤差；邊帶；本振泄露

1　引言

噪聲系數(shù)是線性網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸信號(hào)的信噪比惡化程度的度量，對(duì)于非線性網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)與噪聲通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生非線性變換，使輸出端的信噪比隨輸入信號(hào)的大小而變化，噪聲系數(shù)的概念對(duì)它不再適用。變頻器件雖然是一個(gè)非線性器件，但是由于變頻器件只是把頻譜進(jìn)行了搬移，輸出與輸入頻譜分量沒(méi)有相對(duì)的變化，因此可以作為準(zhǔn)線性器件，能夠通過(guò)噪聲系數(shù)表征其本身的噪聲特性［1］。

2　變頻模式下噪聲儀校準(zhǔn)后增益和噪聲系數(shù)顯示值不為零的原因

現(xiàn)代噪聲系數(shù)分析儀（以下簡(jiǎn)稱噪聲儀）支持變頻器件噪聲系數(shù)測(cè)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(shè)置，分別用于考察變頻器件的射頻噪聲響應(yīng)和中頻噪聲響應(yīng)特性。對(duì)被測(cè)件的噪聲系數(shù)測(cè)量首先需要對(duì)噪聲儀進(jìn)行校準(zhǔn)，然后接上被測(cè)件測(cè)量，得到被測(cè)件二級(jí)修正的噪聲系數(shù)［2］。

校準(zhǔn)時(shí)，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(jìn)行校準(zhǔn)。噪聲源作為噪聲功率測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)，提供中頻激勵(lì)源，校準(zhǔn)時(shí)噪聲儀調(diào)用和變頻器件中頻頻率對(duì)應(yīng)的超噪比（ENR）值。

測(cè)量時(shí)，噪聲源連接在變頻器件的射頻端口，提供射頻激勵(lì)源，與本振混頻輸出中頻信號(hào)，中頻輸出連接至噪聲儀的射頻輸入端，測(cè)量時(shí)噪聲儀調(diào)用和變頻器件射頻頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ENR值。

校準(zhǔn)完畢后，噪聲儀自動(dòng)切換至已修正的測(cè)量狀態(tài)，此時(shí)如果噪聲源仍然連接在噪聲儀的輸入端口，未連接被測(cè)件，噪聲儀接收的測(cè)量功率和校準(zhǔn)時(shí)測(cè)得的功率相同，而ENR的調(diào)用自動(dòng)由中頻頻率切換至射頻頻率所對(duì)應(yīng)的值，因此校準(zhǔn)后的被測(cè)件的增益顯示值：

由噪聲系數(shù)的級(jí)聯(lián)公式可得，校準(zhǔn)后被測(cè)件的噪聲系數(shù)顯示值：

3　影響變頻器件噪聲系數(shù)測(cè)量精度的因素

3.1邊帶的影響

在噪聲系數(shù)測(cè)量中，作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)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(hào)都被變頻到中頻，如圖1所示［3］。這種測(cè)量稱為雙邊帶測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是可極大簡(jiǎn)化對(duì)濾波要求，但是降低了噪聲系數(shù)測(cè)量的頻率分辨率和測(cè)量精度。由于噪聲儀對(duì)兩個(gè)邊帶變頻輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行接收，所顯示的測(cè)試值是上下邊帶變頻輸出噪聲的總和。而雙邊帶測(cè)量計(jì)算過(guò)程中，ENR調(diào)用的是本振（LO）頻率點(diǎn)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(guò)大，則上下邊帶噪聲功率平均值可能遠(yuǎn)離上下邊帶輸入噪聲功率的真實(shí)值，引起測(cè)試誤差。

圖1　雙邊帶測(cè)量的響應(yīng)

當(dāng)變頻器件工作在雙邊帶模式，存在信號(hào)響應(yīng)和鏡像響應(yīng)時(shí)：

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(shù)。

若G1=G2，B1=B2，則FS=2FD，即雙響應(yīng)接收機(jī)的單邊帶噪聲系數(shù)是其雙邊帶噪聲系數(shù)的兩倍，用dB表示，F(xiàn)S=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(yīng)參考無(wú)線電頻率管理，盡量避開(kāi)通訊常用的信號(hào)頻率，并且避開(kāi)噪聲儀內(nèi)部時(shí)鐘頻率或時(shí)鐘頻率整數(shù)倍的頻率。

3.3抖動(dòng)的影響

為獲得相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，必須有足夠的測(cè)量次數(shù)。采用多次測(cè)量平均的方法可減小抖動(dòng)，但不能完全消除抖動(dòng)的影響。平均次數(shù)越多，則測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)，因此平均次數(shù)的選取與測(cè)試時(shí)間之間應(yīng)折衷考慮。

3.4測(cè)試系統(tǒng)溫度變化的影響

溫度變化是導(dǎo)致噪聲功率測(cè)量誤差的一個(gè)原因。噪聲功率是溫度的普適函數(shù)，噪聲儀和被測(cè)件的噪聲系數(shù)在不同溫度下是不同的。

4　小結(jié)

目前國(guó)內(nèi)AV系列噪聲儀，具有極低的本機(jī)噪聲系數(shù)、依據(jù)損耗的頻響進(jìn)行完善的補(bǔ)償、自動(dòng)冷溫度探測(cè)和噪聲系數(shù)二級(jí)修正并配置噪聲系數(shù)測(cè)量不確定計(jì)算器等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果相比上一代分體式儀器更加精確。但是在進(jìn)行變頻器件噪聲系數(shù)測(cè)量時(shí)，有必要了解一些測(cè)試的基本原理以及影響測(cè)量精度的因素。精確的噪聲系數(shù)測(cè)量不僅和選用測(cè)試儀器設(shè)備有關(guān)，也和測(cè)量方法及測(cè)量注意事項(xiàng)密切相關(guān)。

［1］Reinhold Ludwig and Gene Bogdanov射頻電路設(shè)計(jì)-理論與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)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(shù)字通信測(cè)量?jī)x器》編寫(xiě)組編.數(shù)字通信測(cè)量?jī)x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(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樵肼曄禂?shù)測(cè)試技術(shù)和儀器設(shè)計(jì)。

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.