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槽擎箕
5 years ago
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1 混频器的噪声系数测试安捷伦科技应用工程师余弦安捷伦科技高级应用工程师顾宏亮问题来源在采用噪声系数表或者频谱仪的噪声系数选件进行下变频器噪声系数测试时, 被测件设置 (DUT setup) 中的一个参数 sideband 常常使人感到迷惑, 究竟 LSB,USB 和 DSB 各自是什么含义, 测试结果之间存在什么关系呢? 本文将通过原理和实例来详细阐述这一点背景介绍通信系统中的噪声会影响到微弱信号的传输系统参数中的灵敏度, 误码率和噪声系数反映了该系统处理微弱信号的能力与其它两者相比, 噪声系数的优点在于它不仅可以表征一个完整的系统, 还能够表征单个的射频元件, 包括 LNA, 混频器等等设计者可以通过规划单个元件的增益和噪声系数来控制整个系统的噪声系数因此, 元器件的噪声系数测试是系统设计中经常碰到的一项测试通常情况下, 我们采用噪声系数表或者频谱分析仪的噪声系数选件进行测试这两者的原理和操作界面几乎一致在本文中, 以 MXA 的噪声系数选件为例在元器件的噪声系数测试中, 下变频器是一项难点, 设输入信号为 Fin, 本振信号为 FLO, 则输出信号会存在四个分量 : Fin-FLO,FLO-Fin,Fin( 输入信号泄漏 ),FLO( 本振泄漏 ), 因此, 两个频段的输入信号和 LO 混频都可以得到同一个输出 Fout, 这就是通常所说的镜像在实际系统中, 混频器前端有滤波器和低噪放等元件限制镜像频率, 而在单个元件的测试中, 却不一定有相关的设备噪声源是一个宽带的激励信号, 若不加滤波器就直接连到混频器输入端, 必然会有镜像频率的响应叠加到输出信号中, 使测试结果存在偏差因此, 我们需要了解仪表测试的原理及设置参数的含义, 从而分析测试结果, 修正镜像频率带来的偏差, 得出正确的噪声系数测试原理噪声系数测试中 DUT setup 界面如下 :

混频得到的 IF 的叠加如下图所示 : 通常的噪声系数测试, 都是把噪声源直接接到被测件的输入端, 被测件输出端接到测试仪表的 RF input 由于噪声源产生的是一个宽带白噪声信号, 会覆盖包括 IF,LO,RF 在内的整个频段, 一般混频器 RF,LO 到 IF

2 首先选择 DUT 为下变频器 (Downconv), 频率关系中,IF 代表输出,RF 代表输入然后选择对应的边带 sideband,lsb 和 USB 分别表示低边带和高边带, 统称 SSB( 单边带 ),DSB 表示双边带不同的变频器, 可选择的边带不同, 对于上变频器来说, 只有 LSB 和 USB 两种选择 : LSB:RF=LO-IF; USB:RF=IF-LO 对于下变频器来说, 可以选择 LSB,USB 和 DSB: LSB:RF=LO-IF; USB:RF=IF-LO; DSB:RFLSB 和 RFUSB 混频得到的 IF 的叠加如下图所示 : 通常的噪声系数测试, 都是把噪声源直接接到被测件的输入端, 被测件输出端接到测试仪表的 RF input 由于噪声源产生的是一个宽带白噪声信号, 会覆盖包括 IF,LO,RF 在内的整个频段, 一般混频器 RF,LO 到 IF 都有隔离, 所以输入信号和本振泄露不会给测试带来太大的影响, 但是 RFLSB 和 RFUSB 混频得到的 IF 频率相同, 功率接近, 如果不考虑这部分影响, 可能会使得测试结果与预期相差一倍怎样判断当前所作的是 SSB 还是 DSB 呢? 这是由被测混频器决定的如果被测混频器

3 的输入端有滤波器, 或者说, 它的频率选择性很好, 只有单个边带的输入会产生 IF 输出, 此时的测试模式为 SSB 如果被测件的带宽较宽, 会覆盖 RFLSB 和 RFUSB, 这时的测试为 DSB 我们在测试中经常碰到的问题就是, 被测件的带宽会覆盖 RFLSB 和 RFUSB, 但是实际工作却是 SSB 模式, 如果要得到最精确的测试结果, 就需要在被测件和噪声源之间加上单边带滤波器, 然后进行 SSB 测试, 配置框图如下 : 如果要对它作 DSB 的测试, 就可以拿掉滤波器, 直接将噪声源接到被测件输入端, 配置框图如下 : 可以看到,DSB 的测试配置比 SSB 要简单得多, 如果能够根据 DSB 测试结果推算出 SSB 结果, 就可以省去滤波器带来的麻烦, 因为在测试时我们不一定有这个滤波器, 而且当 IF 较低时,RFLSB 和 RFUSB 非常接近, 要进行滤除也比较困难那么,DSB 和 SSB 的测试结果之间存在什么样的关系呢? 下面我们将依据测试原理进行分析以下的分析有一个前提 : 被测件在整个带宽之内的响应是平坦的频谱仪 / 噪声系数表测试噪声系数的原理都是 Y 系数法, 如下图所示 :

4 噪声源给出冷态 / 热态噪声 (Tc,Th), 分别测试被测件在两种状态下的噪声功率输出 (N1, N2), 得到上图所示直线, 直线的斜率为被测件增益,Na 为被测件产生的噪声我们一般认为噪声是平稳分布的, 噪声功率与占用带宽成正比, 即 N=K*T*B, 对于 DSB 来说, 由于两个 RF 频段同时混频得到 IF, 等效带宽为 SSB 的两倍, 因此,DSB 获得的噪声功率输出为 SSB 的两倍, 由 Y 系数法原理可知, 采用 DSB 配置得到的被测件增益将会是 SSB 的两倍下面我们从信噪比 (SNR) 的角度来分析 DSB 和 SSB 的噪声系数, 其定义如下 : S NF = S i o N N i o DSB 和 SSB 的输入 SNR 是相同的, 取决于噪声源但是 SSB 的输出 SNR 要比 DSB 差, 因为 SSB 的输入信号经过了滤波, 只有一个边带会得到输出信号, 而输出噪声却包含了两个边带的贡献 ( 滤波器无法滤除噪声 ), 与 DSB 相同所以 SSB 的输出 SNR 近似为 DSB 的一半, 代入上面的公式可得,DSB 的噪声系数为 SSB 的 1/2 由上面的分析可知,DSB 和 SSB 的结果存在固定的关系我们可以在 DSB 配置下进行测试, 然后做如下修正, 得出真实工作情况 (SSB) 下的噪声系数和增益 : 将增益减去 3dB 将噪声系数加上 3dB 以上修正可以通过在测试仪表中设置输入损耗补偿为 -3dB, 补偿温度为常温 (Tc) 后, 由仪表自动执行, 此时, 仪表显示的结果即为 SSB 的结果测试实例为了给前面的分析加以验证, 我们以一个宽带混频器作为被测件进行了实测被测件 : Mixer,Mini-Circuits ZFM-11,1-2000MHz 抗混叠滤波器 : Low Pass Filter,Mini-Circuits SLP-1200, 截止频点 1200MHz 测试仪表 : MXA,Noise Figure Personality (a) Mixer (b) LPF 混频器参数设置如下 : LO:1.4GHz,3.5dBm IF: 400MHz~420MHz RF:980MHz~1000MHz(LSB),1800MHz~1820MHz(USB) 用网络仪测试混频器变频损耗如下, 两根曲线分别表示 LSB 和 USB 的变频损耗, 可以看出, 两者是比较接近的 :

5 DSB 测试结果如下图 : SSB(LSB) 测试结果如下 :

实测结果和理论分析比较吻合在 MXA 中设置 -3dB 损耗补偿 : 结论及注意事项从以上原理分析及测试实例可知, 如果下变频器在 RFLSB 和 RFUSB 频段的传输特性一致, 完全可以用 DSB 测试的结果来分析得到 SSB 情况即真实工作情况下的器件特性有一点需要特别点明, 对于测试环境来说,DSB 和 SSB 唯一的区别在于 SSB

6 实测结果和理论分析比较吻合在 MXA 中设置 -3dB 损耗补偿 : 结论及注意事项从以上原理分析及测试实例可知, 如果下变频器在 RFLSB 和 RFUSB 频段的传输特性一致, 完全可以用 DSB 测试的结果来分析得到 SSB 情况即真实工作情况下的器件特性有一点需要特别点明, 对于测试环境来说,DSB 和 SSB 唯一的区别在于 SSB 多了一个滤波器, 如果不加这个滤波器而仅仅在测试仪表里选择 SSB 是没有意义的, 测试仪表接收到的还是两个边带同时变换到中频得出的信号, 即 DSB 的结果另外, 若 RFLSB 和 RFUSB 不一致, 则两者的噪声系数和增益并不存在两倍的关系, 用 3dB 修正的方法会引入较大的误差因此, 测试方法要根据被测件的实际特性和所需的测试精度来进行合理的选择

X PXA/MXA/EXA/CXA PNA-X SNS

X PXA/MXA/EXA/CXA PNA-X SNS 02... 2... 3... 4... 5... 10 X PXA/MXA/EXA/CXA... 11 PNA-X... 13 SNS... 14 346... 15... 17... 18 50 3 9 10 19 20 www.keysight.com/find/noisefigure 03 LNA LNA DUT S Y Y Y 57-1 5952-8255 CHCN 50 Ω S21 PNA-X