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美信集成產(chǎn)品公司

　　針對(duì)手機(jī)等接收機(jī)整機(jī)噪聲系數(shù)測(cè)試問(wèn)題，該文章提出兩種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，并分別討論其優(yōu)缺點(diǎn)，一種方法是用單獨(dú)頻譜儀進(jìn)行測(cè)試，精度較低；另一種方法是借助噪聲測(cè)試儀的噪聲源來(lái)測(cè)試，利用冷熱負(fù)載測(cè)試噪聲系數(shù)的原理，能夠得到比較精確的測(cè)量結(jié)果。  

　　問(wèn)題提出 

　　下圖是MAXIM 公司TD-SCDMA 手機(jī)射頻單元參考設(shè)計(jì)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(hào)，我們需要測(cè)量該通道的噪聲系數(shù)。我們現(xiàn)有的噪聲測(cè)試儀表是HP8970B ，該儀表所能測(cè)量的最低頻率為10MHz ，而TD-SCDMA基帶I/Q 信號(hào)最高有用頻率成份為640KHz，顯然該儀表不能滿(mǎn)足我們的測(cè)量需求。

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　　下面我們將介紹兩種測(cè)試方案，并討論其測(cè)試精度，最后給出實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)以做對(duì)比。

　　利用頻譜儀直接測(cè)試



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

　　測(cè)量步驟一，先利用信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)頻信號(hào)（一般我們感興趣的是接收機(jī)小信號(hào)時(shí)的噪聲系數(shù)，故此時(shí)點(diǎn)頻信號(hào)電平應(yīng)接近靈敏度電平），頻點(diǎn)與本振信號(hào)錯(cuò)開(kāi)一點(diǎn)，這樣在基帶I/Q 端口可以得到一個(gè)點(diǎn)頻信號(hào)，調(diào)節(jié)接收機(jī)通道增益使I/Q 端點(diǎn)頻信號(hào)幅度適中，測(cè)量接收機(jī)輸入與輸出端的點(diǎn)頻信號(hào)大小可以求得這時(shí)的通道增益，記為G；

　　測(cè)量步驟二，接步驟一，關(guān)閉信號(hào)源，保持接收機(jī)所有設(shè)置不變，用頻譜儀測(cè)量I/Q 端口在剛才點(diǎn)頻頻點(diǎn)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(shù)有下式給出：



　　上式中kb 表示波爾茲曼常數(shù)，F(xiàn) 是噪聲系數(shù)真值，我們用NF 表示噪聲系數(shù)的對(duì)數(shù)值，NF＝10lg(F)， G表示整個(gè)通道增益，T1為當(dāng)前熱力學(xué)溫度，T0等于290K。假定T1＝T0，容易求得NF 的顯式表達(dá)式如下：



　　關(guān)于方程2 與方程3 的正確性，我們可以做如下簡(jiǎn)單推導(dǎo)。先考慮點(diǎn)頻情況，設(shè)接收機(jī)輸入端點(diǎn)頻信號(hào)為：



　　現(xiàn)在考慮噪聲問(wèn)題，為簡(jiǎn)化計(jì)算，這兒設(shè)當(dāng)前溫度為290K ，即定義噪聲系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)溫度。根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，我們可以將系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲等效到輸入端口，該噪聲與資用噪聲功率和應(yīng)等于資用噪聲功率的F倍。下面我們用一個(gè)窄帶平穩(wěn)高斯過(guò)程來(lái)描述這兩部分噪聲之和，設(shè)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(jī)輸出端的噪聲表達(dá)式：



　　結(jié)合方程8 與方程7 可以直接得到方程2，結(jié)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(guò)程:



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　　從上圖還可以看到，在數(shù)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(shù)外，相差6dB，這說(shuō)明輸入同相噪聲上下兩邊帶是嚴(yán)格相關(guān)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(shù)外，同樣也有6dB 增益。

　　借助標(biāo)準(zhǔn)噪聲源精確測(cè)試

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



　　測(cè)量步驟一，先將接收機(jī)接到點(diǎn)頻信號(hào)源側(cè)，利用信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)靈敏度電平的點(diǎn)頻信號(hào)（因?yàn)槲覀兺ǔ８信d趣的是接收機(jī)小信號(hào)時(shí)的噪聲系數(shù)），頻點(diǎn)與本振信號(hào)錯(cuò)開(kāi)一點(diǎn)，這樣在基帶I/Q 端口可以得到一個(gè)點(diǎn)頻信號(hào)。調(diào)節(jié)接收機(jī)通道增益使I/Q 端點(diǎn)頻信號(hào)幅度適中；

　　測(cè)量步驟二，接步驟一，保持接收機(jī)所有設(shè)置不變，將接收機(jī)接到噪聲源一側(cè)，噪聲源置為冷態(tài)，設(shè)冷態(tài)噪聲溫度為T(mén)1，用頻譜儀測(cè)量I 端口噪聲功率譜密度（I與Q有相同的性質(zhì)，故此處僅提及I 端口），記為Poc(dBm/Hz)；

　　測(cè)量步驟三，接步驟二，保持接收機(jī)設(shè)置不變，噪聲源置為熱態(tài)，設(shè)噪聲溫度為T(mén)2，用頻譜儀測(cè)量I 端口噪聲功率譜密度，記為Poh(dBm/Hz)；

　　所謂Y 系數(shù)法中的Y 即測(cè)量步驟三與測(cè)量步驟二兩測(cè)量值的比值：



　　設(shè)接收機(jī)等效噪聲溫度為T(mén)e。我們可以用冷態(tài)源噪聲溫度，熱態(tài)源噪聲溫度，接收機(jī)等效噪聲溫度來(lái)表示系數(shù)Y，如下式：



　　設(shè)噪聲頭超噪比為ENR，標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度為T(mén)0（290K ），根據(jù)超噪比定義可得到下面等式：



　　根據(jù)噪聲系數(shù)與等效噪聲溫度定義可以得到下式：



　　聯(lián)立方程11，12，13，可以容易求得噪聲系數(shù)關(guān)于ENR、Y、T1、T0 的函數(shù)關(guān)系，其對(duì)數(shù)表達(dá)形式如下：



　　一般冷態(tài)噪聲溫度接近標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度，在對(duì)精度要求不高時(shí)，可以認(rèn)為T(mén)1＝T0，上式可以簡(jiǎn)化為：



　　上式中Y 由方程10 給出，是間接測(cè)量值，ENR 由噪聲頭給出。根據(jù)該等式可以方便求出接收機(jī)噪聲系數(shù)。

　　兩種測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

　　利用方法一測(cè)試MAXIM 公司TD-SCDMA 手機(jī)接收通道噪聲系數(shù)，先利用點(diǎn)頻信號(hào)測(cè)量通道增益，輸入點(diǎn)頻信號(hào)為－105.6dBm ，頻點(diǎn)2015.95MHz，MAX2392 的LNA 與混頻器置為高增益高線性狀態(tài)，VGC 電壓調(diào)到2.63V，本振頻點(diǎn)置為2015.8MHz ，這時(shí)我們?cè)贗 輸出端測(cè)到-3.5dBm 的150KHz 點(diǎn)頻信號(hào)，從而計(jì)算出整個(gè)通道增益為102.1dB �，F(xiàn)在關(guān)掉輸入的點(diǎn)頻信號(hào)，利用頻譜儀測(cè)量I 端口在150KHz 頻點(diǎn)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(cè)量結(jié)果精確，檢波方式設(shè)為“SAMPLE”， 然后再利用“Maker Noise ”功能測(cè)試。我們測(cè)到噪聲功率譜密度為-63.5dBm/Hz 。根據(jù)方程2 可以容易計(jì)算出整個(gè)通道的噪聲系數(shù)為：



　　利用方法二測(cè)試MAXIM 公司TD-SCDMA 手機(jī)接收通道噪聲系數(shù)，接上面的測(cè)量，保持MAX2392 工作狀態(tài)不變。在上面測(cè)試中得到的I 端口150KHz 頻點(diǎn)處噪聲功率譜密度即為冷態(tài)噪聲源時(shí)的噪聲功率譜密度，現(xiàn)在僅需測(cè)熱態(tài)時(shí)該頻點(diǎn)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(diǎn)處超噪比ENR＝5.91dB。利用與方法一中同樣的測(cè)試方法，我們測(cè)到熱態(tài)時(shí)在150KHz 處噪聲功率譜密度為60.4dBm。根據(jù)方程10 可以計(jì)算出Y 系數(shù)為3.1dB ，再根據(jù)方程15 我們可以計(jì)算出整個(gè)通道的噪聲系數(shù)為：



　　比較上面兩種方法得到的測(cè)量結(jié)果，僅差0.3dB，測(cè)試結(jié)果是比較理想的。這兩種方法中，第二種測(cè)試方法更精確一些，原因是頻譜儀在測(cè)量噪聲功率譜密度時(shí)可能會(huì)有誤差，頻譜儀的中頻濾波器的信號(hào)帶寬與噪聲帶寬一般不等，有的頻譜儀會(huì)給出一個(gè)修正值，有的則沒(méi)有，如我們沒(méi)有考慮該修正值，或儀表在讀數(shù)上未做修正，則我們測(cè)到的噪聲功率譜密度就可能有1dB 左右偏差，導(dǎo)致最終噪聲系數(shù)1dB 左右偏差。如按第二種方法測(cè)試，因?yàn)槲覀儍H需知道冷熱噪聲源時(shí)功率譜密度比值，即便在冷熱兩種噪聲源時(shí)測(cè)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(cè)量精度。