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美信集成產品公司

　　針對手機等接收機整機噪聲系數測試問題，該文章提出兩種簡單實用的方法，并分別討論其優缺點，一種方法是用單獨頻譜儀進行測試，精度較低；另一種方法是借助噪聲測試儀的噪聲源來測試，利用冷熱負載測試噪聲系數的原理，能夠得到比較精確的測量結果。  

　　問題提出 

　　下圖是MAXIM 公司TD-SCDMA 手機射頻單元參考設計的接收電路，該通道電壓增益大于100dB ，與基帶單元接口為模擬I/Q 信號，我們需要測量該通道的噪聲系數。我們現有的噪聲測試儀表是HP8970B ，該儀表所能測量的最低頻率為10MHz ，而TD-SCDMA基帶I/Q 信號最高有用頻率成份為640KHz，顯然該儀表不能滿足我們的測量需求。

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　　下面我們將介紹兩種測試方案，并討論其測試精度，最后給出實際測試數據以做對比。

　　利用頻譜儀直接測試



　　利用頻譜儀直接測量噪聲系數的儀器連接如圖2 所示，其中點頻信號源用于整個通道增益的校準，衰減器有兩個作用，一是起到改善前端匹配的作用；二是做通道增益校準使用，因接收機增益往往很高，大于100dB ，而一些信號源不能輸出非常弱的信號，配合該衰減器即能完成該功能。

　　測量步驟一，先利用信號源產生一個點頻信號（一般我們感興趣的是接收機小信號時的噪聲系數，故此時點頻信號電平應接近靈敏度電平），頻點與本振信號錯開一點，這樣在基帶I/Q 端口可以得到一個點頻信號，調節接收機通道增益使I/Q 端點頻信號幅度適中，測量接收機輸入與輸出端的點頻信號大小可以求得這時的通道增益，記為G；

　　測量步驟二，接步驟一，關閉信號源，保持接收機所有設置不變，用頻譜儀測量I/Q 端口在剛才點頻頻點處的噪聲功率譜密度，I 端口記為Pncdensity(dBm/Hz), Q 端口記為Pnsdensity(dBm/Hz) ，則接收通道噪聲系數有下式給出：



　　上式中kb 表示波爾茲曼常數，F 是噪聲系數真值，我們用NF 表示噪聲系數的對數值，NF＝10lg(F)， G表示整個通道增益，T1為當前熱力學溫度，T0等于290K。假定T1＝T0，容易求得NF 的顯式表達式如下：



　　關于方程2 與方程3 的正確性，我們可以做如下簡單推導。先考慮點頻情況，設接收機輸入端點頻信號為：



　　現在考慮噪聲問題，為簡化計算，這兒設當前溫度為290K ，即定義噪聲系數的標準溫度。根據噪聲系數的定義，我們可以將系統產生的噪聲等效到輸入端口，該噪聲與資用噪聲功率和應等于資用噪聲功率的F倍。下面我們用一個窄帶平穩高斯過程來描述這兩部分噪聲之和，設噪聲帶寬為2B，下面方程給出了該噪聲的一些特性：



　　比較方程4 與方程7，再參照方程5 式與6 式，我們可以得到接收機輸出端的噪聲表達式：



　　結合方程8 與方程7 可以直接得到方程2，結合方程9 與方程7 可以直接得到方程3，注意I 與Q 端口噪聲帶寬為B，是射頻噪聲帶寬的一半。下圖比較形象地給出了噪聲變換過程:



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　　從上圖還可以看到，在數值上，輸出同相噪聲功率譜密度與輸入同相噪聲譜密度除通道增益與噪聲系數外，相差6dB，這說明輸入同相噪聲上下兩邊帶是嚴格相關的；輸出正交噪聲譜密度與輸入正交相噪聲譜密度相比除通道增益與噪聲系數外，同樣也有6dB 增益。

　　借助標準噪聲源精確測試

　　這里介紹的方法即Y 系數法，也稱為冷熱負載法，一般噪聲系數測試儀表就采用該方法，但儀表有它自身的限制，如HP8970B 所能測量的最低頻率為10MHz，待測件最大增益80dB。我們這里采用通用頻譜儀來檢測待測件輸出噪聲大小，從而避開了噪聲測試儀表在噪聲檢測上的限制，再根據Y 系數法原理計算出待測件噪聲系數。下圖給出了該方法的儀器配置圖：



　　測量步驟一，先將接收機接到點頻信號源側，利用信號源產生一個靈敏度電平的點頻信號（因為我們通常感興趣的是接收機小信號時的噪聲系數），頻點與本振信號錯開一點，這樣在基帶I/Q 端口可以得到一個點頻信號。調節接收機通道增益使I/Q 端點頻信號幅度適中；

　　測量步驟二，接步驟一，保持接收機所有設置不變，將接收機接到噪聲源一側，噪聲源置為冷態，設冷態噪聲溫度為T1，用頻譜儀測量I 端口噪聲功率譜密度（I與Q有相同的性質，故此處僅提及I 端口），記為Poc(dBm/Hz)；

　　測量步驟三，接步驟二，保持接收機設置不變，噪聲源置為熱態，設噪聲溫度為T2，用頻譜儀測量I 端口噪聲功率譜密度，記為Poh(dBm/Hz)；

　　所謂Y 系數法中的Y 即測量步驟三與測量步驟二兩測量值的比值：



　　設接收機等效噪聲溫度為Te。我們可以用冷態源噪聲溫度，熱態源噪聲溫度，接收機等效噪聲溫度來表示系數Y，如下式：



　　設噪聲頭超噪比為ENR，標準噪聲溫度為T0（290K ），根據超噪比定義可得到下面等式：



　　根據噪聲系數與等效噪聲溫度定義可以得到下式：



　　聯立方程11，12，13，可以容易求得噪聲系數關于ENR、Y、T1、T0 的函數關系，其對數表達形式如下：



　　一般冷態噪聲溫度接近標準噪聲溫度，在對精度要求不高時，可以認為T1＝T0，上式可以簡化為：



　　上式中Y 由方程10 給出，是間接測量值，ENR 由噪聲頭給出。根據該等式可以方便求出接收機噪聲系數。

　　兩種測試方法的優缺點比較

　　利用方法一測試MAXIM 公司TD-SCDMA 手機接收通道噪聲系數，先利用點頻信號測量通道增益，輸入點頻信號為－105.6dBm ，頻點2015.95MHz，MAX2392 的LNA 與混頻器置為高增益高線性狀態，VGC 電壓調到2.63V，本振頻點置為2015.8MHz ，這時我們在I 輸出端測到-3.5dBm 的150KHz 點頻信號，從而計算出整個通道增益為102.1dB 。現在關掉輸入的點頻信號，利用頻譜儀測量I 端口在150KHz 頻點處噪聲功率譜密度，我們用的頻譜儀是RS 公司FSEA，為使噪聲測量結果精確，檢波方式設為“SAMPLE”， 然后再利用“Maker Noise ”功能測試。我們測到噪聲功率譜密度為-63.5dBm/Hz 。根據方程2 可以容易計算出整個通道的噪聲系數為：



　　利用方法二測試MAXIM 公司TD-SCDMA 手機接收通道噪聲系數，接上面的測量，保持MAX2392 工作狀態不變。在上面測試中得到的I 端口150KHz 頻點處噪聲功率譜密度即為冷態噪聲源時的噪聲功率譜密度，現在僅需測熱態時該頻點處噪聲功率譜密度。這兒我們用的是Noise/Com 公司的NC346A 噪聲頭，其在2G 頻點處超噪比ENR＝5.91dB。利用與方法一中同樣的測試方法，我們測到熱態時在150KHz 處噪聲功率譜密度為60.4dBm。根據方程10 可以計算出Y 系數為3.1dB ，再根據方程15 我們可以計算出整個通道的噪聲系數為：



　　比較上面兩種方法得到的測量結果，僅差0.3dB，測試結果是比較理想的。這兩種方法中，第二種測試方法更精確一些，原因是頻譜儀在測量噪聲功率譜密度時可能會有誤差，頻譜儀的中頻濾波器的信號帶寬與噪聲帶寬一般不等，有的頻譜儀會給出一個修正值，有的則沒有，如我們沒有考慮該修正值，或儀表在讀數上未做修正，則我們測到的噪聲功率譜密度就可能有1dB 左右偏差，導致最終噪聲系數1dB 左右偏差。如按第二種方法測試，因為我們僅需知道冷熱噪聲源時功率譜密度比值，即便在冷熱兩種噪聲源時測到的功率譜密度有偏差，其比值依然是正確的，從而提高了噪聲的測量精度。