运用ATE高效丈量射频到基带噪声指数

噪声指数(Noise Figure)首要丈量的是组件的信噪比(Signal-to-noise Ratio, SNR)功能，信噪比是误码率(BER)和载波/噪声比(C/N)等大部分数字通讯参数的根底。以往只会针对射频(RF)到射频的组件，也便是低噪声扩大器(LNA)，进行噪声指数丈量，但在曩昔几年，低噪声扩大器已被整合到接收器中，将信号从天线端带到模仿或数字基带的单元(I和Q)，因而，测验射频到基带架构的噪声指数现已变得越来越遍及。

测验射频到基带架构的噪声指数已是射频组件量产测验必经的进程，为缩短测验时刻和下降测验本钱，有必要在自动化测验设备中导入冷噪声，或运用具恣意波形产生才能噪声源的Y系数办法来进行测验。

射频到基带的前端电路包括一个与混频器串接的低噪声扩大器，混频器可以将射频信号降频转化为基带信号，这样的组合在今天射频组件的大量出产(HVM)测验中，现已恰当遍及。尽管丈量这些组件的噪声指数所运用的办法与丈量射频到射频组件的办法相同，但台式测验设备与自动化测验设备(ATE)，以及射频到射频组件与射频到基带组件之间的运用办法仍是有些不同。

噪声系数为噪声指数底子

噪声指数可丈量出组件会带入多少噪声到体系中，在射频到基带的接收器中，经过噪声指数丈量，可得知降频转化和扩大进程会参加多少的噪声。噪声指数与信噪比这项底子的参数有关，从最前期的音响设备到最新一代的个人通讯设备等各种电子运用中，信噪比都是极为重要的参数。 噪声系数(Noise Factor, F)尽管较少运用，却是噪声指数的底子。噪声系数是以线性的格局描绘因某个组件所形成的信噪比下降程度：
(1)
噪声系数是在规范化的参阅温度T=T0(IEEE订为290K，约17℃)下，将输入端的信噪比与输出端的信噪比相除的成果。温度之所以成为一项条件，是由于电子电路中的噪声首要是由组件传导前言中的电子热扰动(Thermal Agitation)所形成的，又称为热噪声。由图1描绘的方程式(1)可以看出这种噪声对组件的影响：经待测组件(DUT)扩大后(增益值为G)的输入功率位准以及待测组件的输出端所添加的噪声下降了信噪比。请留意，输入信号和输入噪声都被待测组件扩大，使得两者在待测组件输出端的位准都变高。但是，由于待测组件也会带入一些噪声，因而，输出端的总噪声会大幅进步。

图1　信号经过半导体组件后，信噪比下降。图中，输入信号(a)的峰值功率不高，且信噪比很抱负，但输出信号(b)的峰值振幅变高，一起噪声底线也进步，导致全体的信噪比功能变差。

较常运用的术语是噪声指数，一般以NF代表，其界说与噪声系数有关，描绘两者联系的方程式如下：
NF |dB= 10log10(F)　　　　　(2)

噪声指数丈量之道

丈量射频到射频噪声指数的办法有好几种，包括Y系数(Y-factor)、冷噪声(Cold Noise)、双倍功率(Twice-power)等，但是，就干流的射频到基带组件而言，只要其间两种最常运用，分别是Y系数和冷噪声办法，两种办法各有其长处。

Y系数丈量

丈量噪声指数的Y系数办法或许是已知最陈旧的办法，大部分噪声指数量表和剖析仪暗地所选用的正是这种办法。丈量时，须将一个噪声源灌到待测组件的输入端，然后在待测组件的输出端丈量噪声功率。如此来，即可得到噪声功率丈量的比值，也便是Y系数，再进一步算出噪声指数。

Y系数办法须将噪声源灌到待测组件的输入端，如图2所示。丈量时，要先将噪声源的电源翻开再封闭，每一次都要在待测组件的输出端进行一次功率丈量。Y系数的界说为“热”条件与“冷”条件下所测得之噪声功率(以瓦为单位)的比值：
　(3)
“热”条件指的是噪声源的电源为敞开情况，并将噪声加到待测组件中，就像运用信号产生器供给电压或电源信号到待测组件的输入端相同。“冷”条件指的是噪声源的电源未敞开，但仍是有连接到待测组件的输入端。简直全部噪声源的“封闭”或“冷”条件情况的规范都供给一个50欧姆的完结负载到待测组件的输入端。

图2　将噪声源灌入待测组件中，并经过测验体系丈量其输出的噪声功率。A先将噪声源的电源翻开，以供给“热”条件的噪声(相对于其剩下噪声功率比)。B再将噪声源的电源封闭，供给50欧姆的“冷”条件完结负载到待测组件的输入端。

每个噪声源都有其对应的参数，称为剩下噪声功率比(ENR)。剩下噪声功率比是热条件与冷条件之间的功率位准差，比较基准为规范参阅温度T0(290K)下的热平衡(Thermal Equilibrium)噪声功率。经过校准的二极管式噪声源都会注明其剩下噪声功率比值。

经过丈量得到的Y系数，加上噪声源的剩下噪声功率比，就可以由方程式(4)核算出噪声系数：
　　　　　(4)

以及噪声指数(以dB为单位)：
NF |dB= ENR |dB–10log10(Y-1)　　　　　(5)

测验射频到基带组件的噪声指数时，Y一般会远大于1，因而，可以省掉掉“-1”，得到下列简化过的方程式：
NF |dB= ENR |dB–(Phot–Pcold)　　　　　(6)

当运用内建噪声二极管的自动化测验设备、具射频恣意波形产生才能的噪声源、或测验载板上有噪声二极管时，常运用方程式(5)和(6)来丈量射频到基带的噪声指数。

冷噪声丈量

冷噪声(或增益)丈量办法是别的一种被以为十分契合量产测验需求、合适射频到基带组件选用的办法。做法是将一个50欧姆的完结负载加到待测组件的输入端，然后丈量待测组件的冷条件噪声功率。这种办法也需要丈量待测组件的增益值，其长处是，在典型的量产测验程序中，增益测验之后本来就常会接着进行这项测验，这样一来，只须进行一次丈量(噪声功率)即可。有了增益和噪声功率两数值，就可按照方程式(7)核算出噪声系数：
(7)

或运用方程式(8)得出以dB为单位的成果：
NF |dB= Pcold-(-174dBm/Hz)-10log10(B)-G |dB　　　　　(8)

B是进行冷条件的噪声功率丈量Pcold时所运用的带宽，-174dBm/Hz则是在290K的温度下所随同呈现的热噪声功率，为(1.38×10-23-J/K×290K)的乘积kT，转化为以dBm为单位的对数格局。

Y系数与冷噪声比各有所长

Y系数办法的长处为进行两次功率丈量，并运用两次丈量成果的比值核算出噪声指数。由于它是以比值的办法核算，使得丈量成果为相对的，因而，丈量设备的肯定功率精确度就不是那么重要。其首要的缺陷是常常需要运用二极管式、固定剩下噪声功率比的噪声源，当需要丈量十分高或十分低的噪声指数值时，会是一大问题。问题的成因可由方程式(5)来调查，假如噪声指数太大(相对于噪声源的剩下噪声功率比值)，则所丈量到的热噪声功率值会形成Y挨近1，因而，或许会得到不同于预期的噪声指数。运用二极管式的噪声源时，其剩下噪声功率比是固定的。此剩下噪声功率比或许合适某些组件，但不必定合适其他的组件，特别是如上所述噪声指数较大的组件。在某些情况下，可以运用具恣意波形产生才能的噪声源，这种噪声源可以调整剩下噪声功率比值，以战胜上述的问题。

冷噪声丈量办法的长处是只需要进行一次功率丈量，因而，可缩短测验时刻。全体而言，其丈量的设置和进行办法都十分简略。

两种办法都会丈量冷条件的噪声功率，也便是在待测组件的输入端供给50欧姆的完结负载下进行，个中的差异在于Y系数办法需要丈量热条件的噪声功率。除噪声指数外，还可经过热噪声功率丈量，核算出待测组件的增益值，这也是噪声指数量表或频谱剖析仪可以在频域中显现出增益和噪声指数两种信息的办法。

挑选恰当噪声指数丈量办法

射频到基带组件的首要差异点在于是否有较多可用的增益情况，这是低噪声扩大器和混频器合起来所能供给的增益操控成果。

图3所示的矩阵包括射频到基带的组件中，或许呈现的四种不同增益与噪声指数情况的组合。

图3　矩阵图显现出射频到基带的组件中，或许呈现的四种不同增益与噪声指数情况的组合。

具有高增益(不管噪声指数是高或低)的组件是最简单丈量，不管是运用冷噪声或Y系数办法的丈量成果都不错。常用的阅历法则是，增益和噪声指数(以dB为单位)的和越高，噪声指数就越简单丈量。需要留意的是，就那些增益和噪声指数俱高的组件而言，假如要选用Y系数办法，有必要运用剩下噪声功率比较高的噪声源。

这两种办法丈量低增益、低噪声指数组件的作用比较差，由于测验体系自身的噪声相对于待测组件的噪声会比较显著，这点首要会影响到两种办法中的冷噪声丈量成果。就此特别的情况而言，两种办法在出产在线都不简单履行，或许需要运用前级扩大器(Pre-amplifier)，以下降测验体系自身的噪声指数效应。所幸，在射频到基带的组件中，很少会呈现这种低增益和低噪声指数的组合。

就低增益、高噪声指数的组件而言，仅有需要留意的也是运用Y系数办法调配固定剩下噪声功率比的噪声源时，假如该剩下噪声功率比不行大时，会使得丈量成果不行精确，这是由于待测组件所输出的噪声会远大于噪声源所产生的噪声，使得Y会挨近1(方程式(5))。

比较不同噪声指数测验办法

在此针对下列丈量射频到基带噪声指数的办法，研讨剖析个中的差异：

• 运用噪声二极管的Y系数丈量法
• 运用具恣意波形产生才能的噪声源(剩下噪声功率比 = 12.8dB)的Y系数丈量法
• 运用具恣意波形产生才能的噪声源(剩下噪声功率比 = 36.8dB)的Y系数丈量法
• 冷噪声丈量法

此研讨是在含有双组件测验载板的自动化测验设备环境中进行，用以履行功率丈量的是一组16位的基带数字转化器(Digitizer)，所测验的方针则是一个作业频率为2.4GHz的802.11b/g组件。全部的丈量都是在相同的频率下进行，但待测组件的增益设定值则有所不同。全部的噪声功率都是以2 MHz的带宽丈量得出。

噪声二极管(HP346A)的剩下噪声功率比为12.8dB，为保持共同起见，具恣意波形产生才能的噪声源也要设定为产生剩下噪声功率比为12.8dB的噪声输出。为处理待测组件的增益设定差异很大的问题，也会需要运用剩下噪声功率比较高的噪声源。此刻，唯有选用具恣意波形产生才能的噪声源才有办法做到，其噪声输出可进步到剩下噪声功率比为36.8dB。

表1所列为待测组件的增益设定以及预期会丈量到的噪声指数值。经过改动低噪声扩大器的增益值(实践上是进行衰减)，或是调整混频器的扩大值(因而预期会呈现非线性的噪声指数值)，可让组件阅历六种不同的增益情况。请留意，当预期的噪声指数值比较低时，组件的增益会比较高，而跟着增益值下降，噪声指数也会进步，但这六种情况都还不至于落在图3矩阵的左下方象限中。

由图4的成果可清楚地看出，冷噪声办法可恰当成功地追寻出组件行为的改变，且当噪声指数因衰减添加或许变很高时，能供给最大的弹性。

Y系数办法就无法供给相同的弹性。在第一组到第四组的增益设定中，明显有必要运用剩下噪声功率比较低的噪声源，而在增益值较低、噪声指数较高的情况下(第五组和第六组设定)，则需要运用剩下噪声功率比较高的噪声源。在研制作业台上，还可以直接替换噪声源(假如有的话)，但是，在运用噪声二极管的自动化测验设备中，却并不可行。此刻，正是具恣意波形产生才能的噪声源其调整弹性可充分发挥之处。

此外，若将选用噪声二极管之Y系数丈量办法的功能与选用具恣意波形产生才能之噪声源的Y系数丈量办法相比较，两者的确可以混为一谈，代表运用恣意波形产生器的Y系数丈量办法也恰当稳健。

权衡数据剖析的成果可看出，就大量出产丈量而言，最佳的挑选明显为冷噪声办法或运用具恣意波形产生才能之噪声源的Y系数办法。两者不管在安稳共同性、弹性、丈量相关性以及测验时刻上，都能供给最佳的组合。

ATE与出产线噪声指数丈量考虑

由于噪声指数丈量需要剖析低位准的信号，因而，或许会呈现许多的差错来历。幸亏的是，在出产射频到基带组件的时分，较不须忧虑这些要素。

工程人员应切记在出产在线履行噪声指数丈量时，方针不必定是要尽全部或许地丈量出最精确的噪声指数肯定值，而是要找出有意义且安稳共同的成果，可以与研制作业台上得到的噪声指数丈量成果有所相关。或许导致噪声指数丈量成果不精确的要素如下所列；而参阅资料2中逐个探讨了每一项要素，而且具体阐明这些要素对噪声指数丈量的不精确度以及不确定度的影响。

•噪声功率丈量的均匀核算
由于噪声功率丈量的功率位准极低，因而，将功率丈量的成果加以均匀核算恰当重要。
•温度的差异
在现实生活中，噪声源的实践温度很或许并非290K。
•自动化测验设备的噪声指数
假如方针是要丈量出最精确的噪声指数，就有必要获得丈量噪声功率之测验体系的噪声指数。
•待测组件与测验体系间的阻抗匹配
待测组件、触摸头、测验载板以及测验体系之间的任何阻抗不匹配，都会导致丈量成果呈现不确定度和差错。

以量产时丈量时刻最短为评价规范

若要在自动化测验设备的环境中导入噪声指数丈量，一般有必要有所取舍。举例来说，在下降测验本钱的常态趋势下，须尽或许缩短丈量的时刻，但这样的诉求却与丈量低位准信号(噪声)的准则有所冲突，由于丈量低位准的信号免不了需要进行均匀核算，如此来会添加丈量的运转时刻。最终方针其实是要在量产时，尽或许于最短的丈量时刻内，获得安稳共同、与研制测验成果的相关精确性最高的噪声指数值。

本文概要地介绍两种最常用来丈量射频到基带噪声指数的办法，这两种办法在量产测验上各有所长。Y系数办法源于噪声指数量表和剖析仪所选用的技能，因而，是第一个会想要运用的办法。冷噪声办法比较契合量产环境的需求，只须进行一次噪声功率丈量即可，较能缩短测验时刻。文中供给的矩阵有助于决议哪一种办法最合适待测组件的情况运用。

试验数据显现，在批量出产时，丈量射频到基带组件的最佳挑选非冷噪声办法或运用具恣意波形产生才能之噪声源的Y系数办法莫属。两者不管在安稳共同性、弹性、丈量相关性、以及测验时刻上，都能供给最佳的组合。