混频器的噪声系数测试

混频器的噪声系数测试

安捷伦科技应用工程师余弦

安捷伦科技高级应用工程师顾宏亮

问题来源

在采用噪声系数表或者频谱仪的噪声系数选件进行下变频器噪声系数测试时，被测件设置（DUT setup）中的一个参数sideband常常使人感到迷惑，究竟LSB，USB和DSB各自是什么含义，测试结果之间存在什么关系呢？本文将通过原理和实例来详细阐述这一点。

背景介绍

通信系统中的噪声会影响到微弱信号的传输。系统参数中的灵敏度，误码率和噪声系数反映了该系统处理微弱信号的能力。与其它两者相比，噪声系数的优点在于它不仅可以表征一个完整的系统，还能够表征单个的射频元件，包括LNA，混频器等等。设计者可以通过规划单个元件的增益和噪声系数来控制整个系统的噪声系数。因此，元器件的噪声系数测试是系统设计中经常碰到的一项测试。通常情况下，我们采用噪声系数表或者频谱分析仪的噪声系数选件进行测试。这两者的原理和操作界面几乎一致。在本文中，以MXA的噪声系数选件为例。

在元器件的噪声系数测试中，下变频器是一项难点，设输入信号为F in，本振信号为F LO，则输出信号会存在四个分量：F in-F LO，F LO-F in，F in（输入信号泄漏），F LO（本振泄漏），因此，两个频段的输入信号和LO混频都可以得到同一个输出F out，这就是通常所说的镜像。在实际系统中，混频器前端有滤波器和低噪放等元件限制镜像频率，而在单个元件的测试中，却不一定有相关的设备。噪声源是一个宽带的激励信号，若不加滤波器就直接连到混频器输入端，必然会有镜像频率的响应叠加到输出信号中，使测试结果存在偏差。因此，我们需要了解仪表测试的原理及设置参数的含义，从而分析测试结果，修正镜像频率带来的偏差，得出正确的噪声系数。

测试原理

噪声系数测试中DUT setup界面如下：

首先选择DUT为下变频器（Downconv），频率关系中，IF代表输出，RF代表输入。然后选择对应的边带sideband，LSB和USB分别表示低边带和高边带，统称SSB（单边带），DSB表示双边带。不同的变频器，可选择的边带不同，对于上变频器来说，只有LSB和USB两种选择：

LSB：RF=LO-IF；

USB：RF=IF-LO

对于下变频器来说，可以选择LSB，USB和DSB：

LSB：RF=LO-IF；

USB：RF=IF-LO；

DSB：RF LSB和RF USB混频得到的IF的叠加。如下图所示：

通常的噪声系数测试，都是把噪声源直接接到被测件的输入端，被测件输出端接到测试仪表的RF input。由于噪声源产生的是一个宽带白噪声信号，会覆盖包括IF，LO，RF在内的整个频段，一般混频器RF，LO到IF都有隔离，所以输入信号和本振泄露不会给测试带来太大的影响，但是RF LSB和RF USB混频得到的IF频率相同，功率接近，如果不考虑这部分影响，可能会使得测试结果与预期相差一倍。

怎样判断当前所作的是SSB还是DSB呢？这是由被测混频器决定的。如果被测混频器

的输入端有滤波器，或者说，它的频率选择性很好，只有单个边带的输入会产生IF输出，此时的测试模式为SSB。如果被测件的带宽较宽，会覆盖RF LSB和RF USB，这时的测试为DSB。

我们在测试中经常碰到的问题就是，被测件的带宽会覆盖RF LSB和RF USB，但是实际工作却是SSB模式，如果要得到最精确的测试结果，就需要在被测件和噪声源之间加上单边带滤波器，然后进行SSB测试，配置框图如下：

如果要对它作DSB的测试，就可以拿掉滤波器，直接将噪声源接到被测件输入端，配置框图如下：

可以看到，DSB的测试配置比SSB要简单得多，如果能够根据DSB测试结果推算出SSB 结果，就可以省去滤波器带来的麻烦，因为在测试时我们不一定有这个滤波器，而且当IF 较低时，RF LSB和RF USB非常接近，要进行滤除也比较困难。

那么，DSB和SSB的测试结果之间存在什么样的关系呢？下面我们将依据测试原理进行分析。以下的分析有一个前提：被测件在整个带宽之内的响应是平坦的。

频谱仪/噪声系数表测试噪声系数的原理都是Y系数法，如下图所示：

噪声源给出冷态/热态噪声（T c ，T h ），分别测试被测件在两种状态下的噪声功率输出（N 1，N 2），得到上图所示直线，直线的斜率为被测件增益，Na 为被测件产生的噪声。

我们一般认为噪声是平稳分布的，噪声功率与占用带宽成正比，即N=K*T*B ，对于DSB 来说，由于两个RF 频段同时混频得到IF ，等效带宽为SSB 的两倍，因此，DSB 获得的噪声功率输出为SSB 的两倍，由Y 系数法原理可知，采用DSB 配置得到的被测件增益将会是SSB 的两倍。

下面我们从信噪比（SNR ）的角度来分析DSB 和SSB 的噪声系数，其定义如下：

o

o i i N S N S NF = DSB 和SSB 的输入SNR 是相同的，取决于噪声源。但是SSB 的输出SNR 要比DSB 差，因为SSB 的输入信号经过了滤波，只有一个边带会得到输出信号，而输出噪声却包含了两个边带的贡献（滤波器无法滤除噪声），与DSB 相同。所以SSB 的输出SNR 近似为DSB 的一半，代入上面的公式可得，DSB 的噪声系数为SSB 的1/2。

由上面的分析可知，DSB 和SSB 的结果存在固定的关系。我们可以在DSB 配置下进行测试，然后做如下修正，得出真实工作情况（SSB ）下的噪声系数和增益：

Ø 将增益减去3dB

Ø 将噪声系数加上3dB

以上修正可以通过在测试仪表中设置输入损耗补偿为-3dB ，补偿温度为常温（Tc ）后，由仪表自动执行，此时，仪表显示的结果即为SSB 的结果。

测试实例

为了给前面的分析加以验证，我们以一个宽带混频器作为被测件进行了实测。

被测件： Mixer ，Mini-Circuits ZFM-11，1-2000MHz

抗混叠滤波器： Low Pass Filter ，Mini-Circuits SLP-1200，截止频点1200MHz

测试仪表： MXA ，Noise Figure Personality

(a) Mixer (b) LPF

混频器参数设置如下：

LO ：1.4GHz ，3.5dBm

IF ： 400MHz~420MHz

RF ：980MHz~1000MHz （LSB ），1800MHz~1820MHz （USB ）

用网络仪测试混频器变频损耗如下，两根曲线分别表示LSB 和USB 的变频损耗，可以看出，两者是比较接近的：