射频链路系统噪声系数分析

噪声系数在射频链路中是一项非常重要的指标，本文简述射频链路中放大器、衰减器、混频器的射频器件对射频通道噪声系数的影响，以及系统噪声系数分析方法。

热噪声

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Thermal Noise

电子学热噪声是最基本的一种噪声，是由电子的热运动产生的。现实中的所有器件，都会产生热噪声。热噪声的功率谱密度不随频率变化，是白噪声，服从Gauss概率密度分布，又称为高斯白噪声。

热噪声功率Noise_power=𝑘𝑇𝐵

• 玻尔兹曼常数

• k=1.380649×10^(−23)J/K

• T~开尔文温度

• B~系统带宽

T0 =290K（16.85℃）噪声功率谱密度（1Hz内功率）

• 𝑁0=𝑘T0 = -174dBm/Hz

噪声系数

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Noise Figure

噪声系数描述被测件DUT内部噪声程度，对信噪比的恶化程度，即输入信噪比和输出信噪比的比值。

• F=SNR_in/SNR_out

或者表述为输出噪声与输入噪声乘以增益之比

• F=Nout/(G*N0)

定义噪声系数时，输入噪声N0是理想器件在290K时电子学热噪声

• NF_dB=10lg(F)
  

放大器与衰减器

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Amplifier and Attenuator

放大器是将输入信号功率按照预设比例放大的装置，增益G代表线性放大比例，对数增益G_dB=10lgG。放大器是非理想有源器件，在放大信号的同时，会附加噪声，恶化信噪比，噪声系数指标就是用来评价这种信噪比的恶化情况。

与放大器作用相反，衰减器是将输入信号功率按照预设比例减小的装置，对数衰减A_dB=10lgA，衰减量是增益的倒数A=1/G，对数衰减是负的对数增益。

放大器(增益G)噪声系数分析：

衰减器(衰减A=1/G)噪声系数分析：

• 无源衰减器的输入和输出噪声均为𝑘T0

• 衰减器的衰减量与噪声系数数值相等，因此，常用量值溯源过的衰减器作为噪声系数分析仪的校准标准器具，同时注意衰减器在噪声系数分析仪的量程范围，特别是增益量程范围，如果分析仪的增益量程起始值是0dB或更高，则不允许本方法校准。
  

系统噪声系数

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RF System Noise Figure

多级级联的链路系统噪声系数分析：

【例1】上图RF接收通道，设前端衰减器0dB（Aa=1），放大器噪声系数3dB即F1=2，增益30dB即G=1000，混频器变频损耗10dB即Am=10，滤波器带内插损3dB即Af=2，求RF接收通道噪声系数。

【解】
Fsys=1+(2-1)+(10-1)/1000+(2-1)·10/1000=2.019≈F1

【例2】上图RF接收通道，设前端衰减器10dB（Aa=10），放大器噪声系数3dB即F1=2，增益30dB即G=1000，混频器变频损耗10dB即Am=10，滤波器带内插损3dB即Af=2，求RF接收通道噪声系数。

【解】
Fsys=10+(2-1)*10+(10-1)*10/1000+(2-1)*10*10/1000=20.19

RF通道噪声系数

当RF前端输入衰减器为0时，第一级高增益低噪声放大器的噪声系数约等于接收通道系统噪声系数。无放大器单纯衰减损耗的链路，损耗值即系统噪声系数。

当RF前端输入衰减器较大时，接收通道系统噪声系数约等于衰减器衰减值与放大器噪声系数乘积Aa*F1，即衰减器dB衰减与放大器dB噪声系数之和Aa_dB+F1_dB。