什么是噪声系数?

噪声系数是用来描述一个系统中出现的过多的噪声量的品质因数。把噪声系数降低到最小的程度可以减小噪声对系统造成的影响。在日常生活中，我们可以看到噪声会降低电视画面的质量，也会使无线通信的话音质量变差；在诸如雷达等的军用设备中，噪声会限制系统的有效作用范围；在数字通信系统中，噪声则会增加系统的比特误码率。系统设计人员总是在尽最大努力使整个系统的信噪比(SNR)达到最优，为了达到这个目的，可以用把信号提高的办法，也可以用把噪声降低的办法。在像雷达这样的发射/接收系统中，提高信噪比的一种方法是用更大的大功率放大器来提高发射信号的功率，或使用大口径天线。降低在发射机和接收机之间信号传输路径上的损耗也可以提高SNR，但是信号在传输路径上的损耗大都是由工作环境所决定的，系统设计人员控制不了这方面的因素。还可以通过降低由接收机产生的噪声来提高SNR－通常这都是由接收机前端的低噪声放大器(LNA)的质量决定的。与使用提高发射机功率的方法相比，降低接收机的噪声(以及让接收机的噪声系数的指标更好)的方法会更容易和经济一些。

噪声系数的定义是很简单和直观的。网络的噪声因子(F)的定义是输入信号的SNR除以输出信号的SNR:

F=(Si/Ni)/(So/No)，

式中:

Si=输入信号的功率

So=输出信号的功率

Ni=输入噪声功率

No=输出噪声功率

把噪声因子用分贝(dB)来表示就是噪声系数(NF):

NF=10*log(F)

这个对噪声系数的定义对任何电子网络都是正确的，包括那些可以把输入信号的频率变换为另外一个输出频率的电子网络，例如上变频器或下变频器。

为了更好地理解噪声系数的定义，我们以放大器为例。放大器的输出信号的功率等于放大器输入信号的功率乘以放大器的增益，如果这个放大器是一个很理想的器件的话，其输出端口上噪声信号的功率也应该等于输入端口上噪声信号的功率乘以放大器的增益，结果是在放大器的输入端口和输出端口上信号的SNR是相同的。然而，实际情况是任何放大器输出信号的噪声功率都比输入信号的噪声功率乘以放大器的增益所得到的结果大，也就是说输出端口上的SNR要比输入端口上的SNR小，即噪声因子F要大于1，或者说噪声系数NF要大于0 dB。

在测量并比较噪声系数时，必须要注意的是我们在测量过程中是假定测试系统能够在被测器件(DUT)的输入端口和输出端口上提供非常完美的50Ω端接负载。但在实际测量中，这样完美的条件永远不会存在。稍后我们会讨论如果测试系统没有完美的50Ω，系统会对噪声系数的测量精度造成怎样的影响。同时，我们也会讲解各种校准和测量方法如何校正由于不理想的50Ω源匹配引起的误差。

另一种用来表达由放大器或系统引入的附加噪声的术语是有效输入温度(Te)。为了理解这个参数，我们需要先看一下无源端接所产生的噪声量的表达方式－kTB，其中k是玻尔兹曼常数，T是以开尔文为单位的端接温度，B是系统带宽。因为在某个给定的带宽内，器件产生的噪声和温度是成正比的，所以，器件所产生的噪声量可以表示为带宽归一化为1 Hz的等效噪声温度。例如，一个超噪比(ENR)为15 dB的商用噪声源所产生的电噪声等效于温度为8880 K的负载端接。任何一个实际器件的噪声系数都可以表示为一个有效输入噪声温度。显然Te不是放大器或变频器的实际物理温度，它是输入端接与一个噪声为零的理想器件相连时的等效温度(单位为开尔文)，该器件在输出端口上会产生同样大小的附加噪声，Te与噪声因子的关系是:

Te=290*(F-1)

下图显示了Te和噪声系数的关系曲线。虽然大部分LNA的特征是用噪声系数来描述的，但是当LNA的噪声系数小于1 dB时，就会经常用Te来描述其噪声特征。在进行与噪声功率相关的计算时，Te也是一个很有用的参数。

如图有效噪声温度和噪声系数的关系

很多测试工程师都不了解另一种同样由不理想的系统源匹配引起的误差。实际上由被测器件产生的一些噪声会从器件输入端口出来，经过系统源匹配反射之后又重新进入到被测器件。这个被反射回来的噪声会使被测器件的噪声系数发生变化，这种变化取决于反射噪声功率的相位和放大器内部各种噪声源的相关性，因此，测得的噪声系数将随着系统源阻抗而变化。

LNA设计人员非常了解这种效果，他们会测量放大器的每个独立器件的噪声参数，这些噪声参数可以帮助设计人员估算某个器件的最小噪声系数，以及在怎样的源阻抗(最佳反射系数)条件下才能获得这个最小的噪声系数。噪声参数还会告诉设计人员，当系统源阻抗偏离最佳值时，放大器的噪声系数会发生怎样的改变。对于给定阻抗的改变，噪声系数的变化幅度对于放大器和变频器来说是不一样的，有些器件对源阻抗的变化是很敏感的，而有些器件则不是。了解了关于器件的噪声参数和S参数的知识，LNA设计人员就能够针对具体应用而着手设计匹配的电路，以便优化放大器的增益和噪声系数。