噪声系数的测量方法

ｋＴ０ ＢＧ ＝
ＥＮＲ － １ Ｙ－ １
＋ｋＴ０ ＢＧ ＝ ＥＮＲ
ｋＴ０ ＢＧ
ｋＴ０ ＢＧ
Ｙ－ １
Ｙ 因子 测 量 法 需 要 知 道 噪 声 源 的 ＥＮＲ， 并 测 量 出 噪 声 源 冷 、热 两
个状态下的输出噪声功率， 但不需要额外测量 ＤＵＴ 的增益。
在具体的测试中， 按 Ｙ 因子的 取 值 不 同 可 分 为 直 接 比 较 法 、等 功
能因为接收机限幅而产生附加噪声， 使得测量不准确。但这种方法使
用设备少， 简单易行。
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２００８ 年 第 １９ 期
图 １ 直接比较法的基本原理框图
（ ２） 等功率指示法 等功率指示法需要精密衰减器， 测试中用精密衰减器读取数据， 指示器的两次读数相同， 仅作为等功率指示使用， 不必进行平方率校 准， 不要求绝对精度， 不要求精确知道输入功率与输出电压之间的关 系 。其 又 分 为 高 频 衰 减 等 功 率 法 和 中 频 衰 减 等 功 率 法 。高 频 衰 减 等 功 率法的测量原理框图如下图 ２ 所示：
远小于一般频谱分析仪的噪声基底， 所以这种测量方法也只适用于高
增 益 、大 噪 声 系 数 的 被 测 件 。
因 此 ， 传 统 的 测 量 方 法 无 法 满 足 一 般 增 益 、小 噪 声 系 数 等 被 测 件
的精确测量， 目前流行的测量方法是 Ｙ 因子法。
２．４Ｙ 因子测量法
目前实际工程和研究中最常用的噪声系数测量方法是 Ｙ 因子法，
阻， 在其输出端测量输出的噪声功率。噪声系数的计算公式如下：
Ｆ＝ Ｓｉ ／Ｎｉ ＝ Ｎｏ ＝ Ｎｏ Ｓｏ ／Ｎｏ ＧｋＴｉ Ｂ ＧｋＴ０ Ｂ
此方法要求知道被测器件的增益和有效频率带宽， 被测件的增益
可以通过标量／矢量网络分析仪或者信号源和频谱分析仪或功率计测
量得到。但是， 由于噪声功率一般比较微弱， 为了能准确测量到输出端
作者简介： 唐宗魁， １９９７ 年毕业于西安电子科 技 大 学 ， 工 程 师 ， 主 要 从 事 噪 声仪和网络分析仪的科研与生产工作。
［ 责任编辑： 田瑞鑫］
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（ 上接第 ３６９ 页） 事故车内苯乙烯抽空后， 立即用吊车吊走， 半小 时后对事故发生地的土壤 表 层 空 气 进 行 监 测（约 １ 亩 地）， 监 测 结 果 显 示苯乙烯浓度为 ３．５４ＭＧ／Ｍ３（ 见图 ５） ［２］， 我们认定该处 土 壤 受 污 染 ， 经 布点分层取土壤样品回实验室分析表明， 该处约有 １００ 平方米土壤被 污染， 最深处达 １５ 厘米， 应急处置人员调用挖掘机将污染的土壤挖走 后处理。
温度为 ２９０Ｋ 电阻时其输出端的噪声功率谱密度， 功率谱密度的测量
可由频谱分析仪测量得到， 只要频谱分析仪允许， 增益法可适用于任
何 频 率 范 围 。测 量 的 最 大 的 局 限 性 来 自 频 谱 分 析 仪 的 噪 声 基 底 。因 为
低增益、小噪声系数的被测件， 其输出端的 Ｐｏｕｔ（ｄＢｍ／Ｈｚ）会 很 小 ， 往 往
土壤挖走后已是夜间 ２３：３０ 分， 我们在事故发 生 地 又 进 行 了 一 次 定 量 分 析 ， 分 析 结 果 表 明 ， 该 处 苯 乙 烯 浓 度 为 ０．０５３ｍｇ／ｍ３（见 图 ６）［２］， 《工 业 企 业 设 计 卫 生 标 准 》（ＴＪ３６－ ７９） 居 住 区 中 苯 乙 烯 最 高 容 许 浓 度 ０．０１ｍｇ／ｍ３， 此时， 该处苯乙烯浓度 超 标 不 多 ， 此 处 无 居 民 ， 应 急 处 置 工 作小组决定处置结束。次日， 我站对该地区又进行了一次监测， 监测结 果表明， 苯乙烯浓度仅为 ０．００３３ｍｇ／ｍ３（见图 ６）［２］， 低 于 标 准 值 ， 因 此 ， 该 次事故形成的苯乙烯污染已经消除。
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【参 考 文 献 】 ［ １］ 《超外差接收机的噪声系数》．黄川东编著． ［ ２］ 《现代通讯测试仪器》．军事科学出版社出版． ［ ３］ 《近代微波测量技术》．董树义．编著．
图 ３ 中频衰减等功率法基本原理框图
在等功率指示法测量中， 如果衰减器两端存在失配， 则实际衰减 量与读数间存在差别， 引入衰减器失配误差， 当失配误差较大时， 可以 在衰减器的两端各加一个驻波比较小的隔离器， 以提高测量精度。
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２００８ 年 第 １９ 期
噪声系数的测量方法
唐宗魁 （ 中国电子科技集团公司第四十一研究所 山东 青岛 ２６６５５５）
【摘 要】本文介绍了噪声系数的几种测量方法， 重点分析了目前实际工程和研究中最常用的噪声系数测量方法—Ｙ 因子法。 【关键词】噪声系数； Ｙ 因子； 噪声温度； 超噪比
增益， 而且不需要精确读取输出功率的绝对值， 而只需判断第二次测
量时的输出功率是第一次的两倍。
２．３ 增益测量法
噪声系数换算成对数形式为：
ＮＦ＝１０ｌｇＦ＝１０ｌｇ Ｐｏｕｔ ＧｋＴ０ Ｂ
＝１０ｌｇＰｏｕｔ － １０ｌｇＢ－ １０ｌｇｋＴ０ － １０ｌｇＧ ＝Ｐｏｕｔ （ ｄＢｍ／Ｈｚ） ＋１７４（ ｄＢｍ／Ｈｚ） － Ｇａｉｎ（ ｄＢ） 因此增益测量法需要得到被测件的增益和被测件输入端接物理
Ａ２－ Ａ１
Ｙ＝１０ １０ 式中 Ａ＝（ Ａ２－ Ａ１） （ｄＢ） 即可求出噪声系数。 中频衰减等功率法的测量原理如图 ３ 所示。除衰减 量 Ａ１， Ａ２ 由 中频衰减器读出外， 其测量方法与高频衰减等功率法相同。但必须注 意的是， 这种测量方法测得的是被测件与测试系统总的噪声系数。还 必须取下被测件， 按同样的方法测出系统的噪声系数后， 才能得到被 测件的噪声系数。
１．前言
所有的噪声系数测量方法基本上取决于两种输入功率条件下， 被
测输出功率的测量， 实际上是计算两个噪声功率的相对比值。在怎样
改变输入功率方面， 人们采用过热负载与冷负载、气体放电噪声源、限
温 二 极 管 、信 号 发 生 器 和 现 今 使 用 的 固 态 噪 声 源 。 测 量 方 法 上 也 有 多
因 Ｙ＝ ｋＴ源自文库 ＢＧ＋Ｎａ ｋＴ０ ＢＧ＋Ｎａ
Ｔｈ ＝Ｔ０ （ ＥＮＲ＋１）
所以
Ｎａ
＝
ｋＴｈ
ＢＧ－ Ｙ－
ｋＴ０ １
ＢＧ
＝ ｋＴ０ （ ＥＮＲ＋１） ＢＧ－ ｋＴ０ ＢＧＹ Ｙ－ １
＝ｋＴ０
ＢＧ
ＥＮＲ（ Ｙ－
Ｙ－ １
１）
! " ＝ｋＴ０ ＢＧ
ＥＮＲ － １ Ｙ－ １
可以得到：
! " Ｆ＝ Ｎａ ＋ｋＴ０ ＢＧ
的噪声功率， 被测件需要具有较高的增益和较大的噪声系数。
２．２ 两倍功率法
两倍功率法测量包括两个步骤：
（ １） 与直接测量法相同， 测量被测件的输入端接上物理温度为
２９０Ｋ 的电阻时， 输出端的噪声功率为 Ｐｏｕｔ。
（ ２） 在被测件的输入端接上信号源， 信号源产生测量带宽内的信
号输入到被测件， 调整信号源的输出功率， 使得输出端测量得到的噪
各种噪声系数分析仪也都普遍使用 Ｙ 因子法进行噪声系数测量。
噪声源是 Ｙ 因子法测量必不可少的设备， 噪声源是能产生两种不
同 噪 声 功 率 的 噪 声 发 生 器 ， 通 常 需 ＤＣ 脉 冲 电 源 驱 动 电 压 ， 如 常 用 的
ＨＰ３４６Ａ／Ｂ／Ｃ 系列噪声源需要＋２８ＶＤＣ， 当＋２８Ｖ 供电时， 相当 于 噪 声 源
开， 称为热态， 此时输出大的噪声功率； 电源关闭时， 相当于噪声源关，
称为冷态， 此时输出常温下的噪声功率。
噪声源的超噪比可表示为：
ＥＮＲ（ ｄＢ） ＝１０ｌｇ Ｔｈ － Ｔ０ ＝１０ｌｇ Ｔｈ － ２９０
Ｔ０
２９０
式中 Ｔｈ 是噪声源开时的噪声温度。每个噪声源出厂时都经过了
校准， 厂商都会在特定的频率点上给出了其对应的 ＥＮＲ 值， 在标识之
图 ２ 高频衰减等功率法基本原理框图
测试中， 精密高频衰减器进行适当调节， 在保证两次测试时指示 读数相同的同时， 读取衰减数据。在冷态 Ｔ１ 时， 将衰减器置于 Ａ１， 单 位为 ｄＢ， 使指示器有合适的读数； 再在热态 Ｔ２ 时， 将衰减器置于 Ａ２， 单位为 ｄＢ， 使指示器保持读数不变， 则可得到 Ｙ 因子为：
Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒ ｅ ｍｅａｓｕｒ ｉｎｇ Ｔａｎｇ Ｚｏｎｇｋｕｉ
（Ｔｈｅ ４１ｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒ ｏｕｐ Ｃｏｒ ｐｏｒ ａｔｉｏｎ，Ｑｉｎｇｄａｏ，２６６５５５） 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ．Ｍａｎｙ ｅｍｐｈａｓｅｓ ａｒｅ ｐｕｔ ｏｎ ａｎａｌｙｚｉｎｇ Ｙ－ ｆａｃｔｏｒ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｗｉｄｅｌｙ－ ｕｓｅｄ ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｎｏｗａｄａｙｓ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ】ｎｏｉｓｅ ｆｉｇｕｒｅ； Ｙ－ ｆａｃｔｏｒ； ｎｏｉｓｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ； Ｅｘｃｅｓｓ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ（ＥＮＲ）
（ ３） ３ｄＢ 法 当噪声发生器的超噪比 ＥＮＲ 连续可调或输出的噪声峰值使待测 网络或指示器饱和的情况下， 可采用 ３ｄＢ 法。实际上就是改变噪声发 生器的超噪 比 ＥＮＲ， 使 Ｙ＝２。 有 两 种 方 法 可 以 改 变 噪 声 源 的 超 噪 比 ＥＮＲ， 一种是噪声发生器的超噪比 ＥＮＲ 可调节的， 如饱和二极管噪 声 发生器， 这种 方 法 称 为 ３ｄＢ 可 变 源 法 ； 一 种 是 噪 声 发 生 器 的 超 噪 比 ＥＮＲ 不可调节， 可用精密衰减器来调节输入被测网络的噪声功率， 称 为 ３ｄＢ 固定源法。 噪声系数的测量方法随应用的不同而不同， 比如有些应用于具有 高增益和低噪声系数器件（ 如低噪声放大器） ， 有些应用于具有低增益 和高噪声系数器件（ 如混频器） ， 因此必须仔细选择响应的测量方法。 以上几种方法都属于手动测量， 测量速度慢， 精度不高， 且只能逐 点 测 量 。这 就 需 要 高 速 度 、高 精 度 、自 动 扫 描 测 量 的 智 能 噪 声 系 数 分 析 仪的出现， 以解决噪声系数测量的瓶颈。 国 内 中 国 电 子 科 技 集 团 公 司 第 ４１ 研 究 所 推 出 的 ＡＶ３９８１、 ＡＶ３９８４ 型智能噪声系数测试仪综合了各种测量方法的优点， 采用了 中频衰减器与高精度检波器相结合的方法， 其噪声系数的测量精度取 决 于 中 频 衰 减 器 和 噪 声 功 率 检 波 器 。同 时 中 频 衰 减 器 可 以 通 过 软 件 校 准， 降低了硬件设计的难度。 ３．束语 本文介绍了噪声系数的几种基本测量方法， 重点分析了目前实际 工程和研究中最常用的噪声系数测量方法－ － Ｙ 因子法。目前在各种智 能噪声系数分析仪的设计中， 其基本原理仍然是采用经典的 Ｙ 因子法 进 行 噪 声 系 数 的 测 量 。科
声功率为 ２Ｐｏｕｔ， 即步骤（１）的两倍， 读取此时信号源的输出功率 Ｐｉｎ。
根据测量方法可得：
Ｐｏｕｔ ＝Ｎａ ＋ＧｋＴ０ Ｂ ２Ｐｏｕｔ ＝Ｎａ ＋ＧｋＴ０ Ｂ＋Ｐｍ Ｇ 则
Ｐｏｕｔ ＝Ｐｍ Ｇ
Ｆ＝ Ｐｏｕｔ ＝ Ｐｉｎ Ｇ ＝ Ｐｉｎ ＧｋＴ０ Ｂ ＧｋＴ０ Ｂ ｋＴ０ Ｂ
两倍功率法与直接测量法相比， 其优势在于不需要知道被测件的
间的频率上的 ＥＮＲ 可通过内插法得到。将噪声源接 到 ＤＵＴ 输 入 端 ，
在 其 输 出 端 测 量 在 噪 声 源 开 、关 两 个 状 态 下 的 输 出 噪 声 功 率 Ｐｏｎ 和
Ｐｏｆｆ， 这两个功率之比就称为 Ｙ 因子。
即 Ｙ＝ Ｐｏｎ Ｐｏｆｆ
Ｐｏｎ ＝ｋＴｈ ＢＧ＋Ｎａ Ｐｏｆｆ ＝ｋＴ０ ＢＧ＋Ｎａ
种， 在先进的噪声系数测量仪器出现以前， 工程师们就想到了很多简
易的噪声系数测量方法， 其特点是所需要的设备少， 操作简单， 但测量
精度不高， 应用范围比较窄， 虽然如此， 过去被广泛使用的简易测量方
法在今天在部分领域仍然有一定的应用价值。
２．噪声系数的测量方法
２．１ 直接测量法
直 接 测 量 法 就 是 将 被 测 件 的 输 入 端 接 上 物 理 温 度 为 ２９０Ｋ 的 电
率指示法和 ３ｄＢ 法。
（ １） 直接比较法
其原理框图如下图 １ 所示， 用直接比较法测量噪声系数时， 需用
精确校准过的平方律检波器或功率计。连接好测量电路后， 测出噪声
源分别处于冷、热两态时接收到的噪声功率比值 Ｙ， 可求出噪声系数。
为了保证接收机不过载， 检波器或功率探头必须要有较大的动态范
围， 并在检波带内为线性功率响应， 无噪声。因此 Ｙ 因子太大时， 有可