現(xiàn)代無線電接收機的系統(tǒng)噪聲系數(shù)分析二：Y因子噪聲因子測量法

2017-04-03  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

對于RF系統(tǒng)工程師來說,計算噪聲系數(shù)預(yù)算對預(yù)測產(chǎn)品性能至關(guān)重要。

本文是詳細討論現(xiàn)代射頻無線接收機噪聲因子的第二部分。在第一部分,我們討論了噪聲系數(shù)的一般概念(查看:現(xiàn)代無線電接收機的系統(tǒng)噪聲系數(shù)分析一:級聯(lián)接收機的計算),以及產(chǎn)品定義和電路設(shè)計者如何利用噪聲系數(shù)表示噪聲性能要求。噪聲系數(shù)也用于預(yù)測接收機系統(tǒng)的總體靈敏度。我們也介紹了級聯(lián)接收機的噪聲系數(shù)計算。本文中我們集中討論適用于混頻器的Y因子測量法。我們闡述哪種測量方法適用于第一部分得出的級聯(lián)公式。我們也探討了測量方法的一些變體,可用于獲得混頻器SSB噪聲系數(shù)的近似。

噪聲溫度

為了討論Y因子測量法,有必要引入噪聲溫度的概念。在之前的公式中,我們采用了公認的結(jié)論:給定溫度下電阻產(chǎn)生的噪聲功率譜密度為kT,單位為W/Hz,式中k是波爾茨曼常數(shù),T是絕對溫度。如果我們假設(shè)裝置無噪聲,并且附加噪聲功率譜密度由輸入端的噪聲溫度高于基準(zhǔn)溫度的等效值來表示,就有可能考慮裝置中的全部噪聲源,噪聲因子可與等效溫度Te,關(guān)聯(lián)起來,公式為F=1+Te/T0,其中T0定義為基準(zhǔn)噪聲溫度290K。顯然,噪聲因子1由裝置的等效噪聲溫度0K表示,而噪聲因子2由Te=290K表示。

Y因子

噪聲系數(shù)的Y因子測量法1需要使用校準(zhǔn)的噪聲源,噪聲源具有兩種截然不同的噪聲溫度,取決于裝置是否存在直流電源。校準(zhǔn)源具有特征超噪比(ENR),定義為:

ENRdB=10log10 [(TSON-TSOFF)/T0]

式中,TSON為噪聲源在打開狀態(tài)下的噪聲溫度,TSOFF為關(guān)閉狀態(tài)下的對應(yīng)值。Y因子是兩個噪聲功率大小之比,一個噪聲功率在噪聲源打開時測得,另一個在關(guān)閉時測得。

由于噪聲源的噪聲功率可直接由其噪聲溫度表示,所以我們也記作:

噪聲因子測量和計算

為了估算被測裝置(DUT)的噪聲因子,我們必須將噪聲功率測量裝置連接至DUT的輸出。設(shè)DUT的噪聲溫度為T1,儀器的噪聲溫度為T2。盡管不可能從給定讀數(shù)中消除裝置的噪聲溫度(T2),但我們可測量DUT和儀器的組合噪聲溫度T12。由于T12=T1+T2/G1,所以可通過計算隔離T1。于是,方法就是利用直接連接至測量儀器的校準(zhǔn)噪聲源,確定T2,得到Y(jié)因子。我們得到:

Y2=N2ON/N2OFF=(TSON+T2)/(TSOFF+T2)

上式重寫為:

根據(jù)已知的TSON和TSOFF值獲得測量裝置的噪聲溫度后,下一步是測量DUT與測量儀器級聯(lián)時的Y因子:

Y12=N12ON/N12OFF

這就能夠采用與之前相同的步驟計算得到DUT和儀器級聯(lián)的組合噪聲溫度:

T12=(TSON-Y12 TSOFF)/(Y12-1)

之前已經(jīng)保存了N1ON和N1OFF,現(xiàn)在又有N12ON和N12OFF,我們就有足夠的信息來計算DUT增益:

G1=(N12ON-N12OFF)/(N2ON-N2OFF)

這就具有足夠的信息在數(shù)學(xué)上減去測量儀器噪聲溫度的影響,公式如下:

T1=T12-T2/G1

DUT之前的損耗

如果已知DUT之前的損耗,就必須消除這些損耗的影響,以獲得DUT在輸入為T1IN時的真實噪聲溫度。假設(shè)這些損耗是可吸收的,可使用以下公式:

T1IN=(T1/LIN)-((LIN-1)TL/LIN ),

式中,TL為損耗的物理溫度,LIN為待補償?shù)牟迦霌p耗,表示為大于1的線性功率比。

Y因子噪聲因子測定中,混頻器作為DUT

測量噪聲系數(shù)時使用的校準(zhǔn)噪聲源在本質(zhì)上是寬帶的,打開狀態(tài)下噪聲溫度的任何細微變化都由噪聲源內(nèi)置的校準(zhǔn)表處理,不加任何修改地使用Y因子方法即可評估混頻器的DSB噪聲系數(shù)。這是因為校準(zhǔn)噪聲源將同時注入兩個邊帶的噪聲功率,然后兩個邊帶組合的輸出噪聲功率將影響計算Y因子所使用的輸出噪聲溫度。

Y因子法測量DSB噪聲系數(shù)的例子

為闡明討論的概念,執(zhí)行Genesys仿真,向仿真的DUT注入噪聲源,DUT為DSB噪聲系數(shù)為4.9dB、轉(zhuǎn)換增益為8.8dB的混頻器。注入的噪聲功率由變量PIN決定,該變量為掃描變量,有兩個值可取:-159dBm/Hz和-174dBm/Hz,分別表示噪聲源的開和關(guān)狀態(tài)。中頻定義為250MHz,混頻器RF端口的預(yù)期和鏡像響應(yīng)在2000MHz和1500MHz(圖1)。通過仿真收集的唯一數(shù)據(jù)(表1和2)為輸入(即代替校準(zhǔn)步驟直接連接至噪聲源)和輸出(表示測量模式)上100kHz帶寬的通道噪聲功率。

圖1. 使用Y因子法確定DSB混頻器噪聲系數(shù)的仿真原理圖。

表1. DSB混頻器測量的Y因子仿真結(jié)果

*注意,參數(shù)IL表示DUT之前的插入損耗,本例中為0dB。

表2. DSB混頻器測量的Y因子計算

注意,T2表示可接受的儀器噪聲溫度,本例中的儀器為Genesys仿真器,估算噪聲時本身不增加任何噪聲。由于DUT之前的插入損耗為0dB,T1與T1IN完全相同。由Y因子測量計算的最終噪聲系數(shù)由式F=10log10 (1+T1IN/290)給出,得到的值(4.9dB)與配置混頻器原理圖時使用的參數(shù)設(shè)置產(chǎn)生的預(yù)期值一致。

Y因子法測量SSB噪聲系數(shù)的例子

仿真原理圖如圖2所示,測試結(jié)果列于表3和4。

圖2. 使用Y因子法確定SSB混頻器噪聲系數(shù)的仿真原理圖。

表3. DSB混頻器測量的Y因子仿真結(jié)果

*注意,參數(shù)IL表示DUT之前的插入損耗,本例中為2.2dB。

表4. SSB混頻器NF測量的Y因子計算

因為DUT之前的插入損耗為2.2dB,T1高于混頻器的噪聲溫度T1IN,根據(jù)上述DUT之前的損耗部分中的公式計算得到。Y因子測量法最終計算的噪聲系數(shù)由式F=10log10 (1+T1IN/290)給出,得到的值為7.158dB。假設(shè)完全抑制噪聲源的鏡像噪聲,該值應(yīng)與獲得的值相當(dāng)。

NF=10log10 (2(10(4.9/10)-1)+1)=7.144dB

由于濾波器的插入損耗有限,所以鏡像抑制濾波器在鏡像頻率下的阻抗不完全是電抗性的。這就意味著未完全抑制噪聲源的鏡像頻帶噪聲。這可能是理想噪聲系數(shù)略微增大的原因。

衰減Y因子法測量SSB噪聲系數(shù)的例子

這種方法中,我們應(yīng)用一個衰減器,確保混頻器在預(yù)期和鏡像頻率下具有類似的“低溫”(即關(guān)閉狀態(tài))噪聲溫度。由于源端點的噪聲溫度不再受濾波器影響產(chǎn)生任何擴展(圖3,表5和表6),所以這將造成SSB噪聲系數(shù)更接近比DSB噪聲系數(shù)高3dB的值。

圖3. 使用衰減Y因子法確定SSB混頻器噪聲系數(shù)的仿真原理圖。

表5. 衰減SSB混頻器測量的Y因子仿真結(jié)果

*注意,參數(shù)IL表示DUT之前的插入損耗,本例中為12.2dB,表示濾波器和衰減器的組合損耗。

表6. 衰減SSB混頻器NF測量的Y因子計算

Y因子測量法最終計算的噪聲系數(shù)由式F=10log10 (1+T1IN/290)給出,得到的值為7.901dB。這正好相當(dāng)于DSB噪聲系數(shù)4.9dB增加3.0dB后的預(yù)期值。注意,使用10dB衰減器導(dǎo)致Y因子接近1,可能會影響精度。在實際測量中使用較大衰減值時,適宜選擇可用的最高ENR噪聲源,以保證精度。

Y因子總結(jié)

Y因子測量法將評估混頻器的DSB噪聲系數(shù),除非采取特殊措施濾除鏡像頻率下的寬帶噪聲激勵。該值適宜用于本文第一部分得出的級聯(lián)公式。如果在獲取SSB噪聲系數(shù)時使用濾波器,有必要考慮所用濾波器的插入損耗。此外,由于濾波器造成不能完全抑制源端點鏡像噪聲,會導(dǎo)致與SSB噪聲系數(shù)的傳統(tǒng)定義存在一定偏差。如果衰減量與噪聲源的ENR相比不是太大,使用匹配衰減器可在很大程度上克服這一問題。

總結(jié)

對于RF系統(tǒng)工程師來說,計算噪聲系數(shù)預(yù)算對預(yù)測產(chǎn)品性能至關(guān)重要。從定義上理解鏡像噪聲以及計算混頻器噪聲系數(shù)時,通常會發(fā)生混淆。通常認為混頻器的SSB NF比對應(yīng)的DSB噪聲系數(shù)高3dB,這并不總是正確的——取決于鏡像和預(yù)期頻率下的轉(zhuǎn)換增益是否相等。分析表明,不加修改地應(yīng)用弗林斯級聯(lián)噪聲公式會產(chǎn)生誤差;特別是零中頻和低中頻接收機架構(gòu),需要使用該公式的特殊變體進行處理,正像我們推導(dǎo)的那樣。最后,介紹了Y因子噪聲測量法及其在混頻器噪聲因子測量中的應(yīng)用。

參考文獻
1 “Noise Figure Measurement Accuracy—The Y-Factor Method,” Agilent Technologies, Application Note 57-2.

相關(guān)標(biāo)簽搜索：現(xiàn)代無線電接收機的系統(tǒng)噪聲系數(shù)分析二：Y因子噪聲因子測量法 HFSS電磁分析培訓(xùn) HFSS培訓(xùn)課程 HFSS技術(shù)教程 HFSS無線電仿真 HFSS電磁場仿真 HFSS學(xué)習(xí) HFSS視頻教程 天線基礎(chǔ)知識 HFSS代做 天線代做 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析