芯耀
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一、简介
噪声系数（Noise Figure，简称NF）是个基础指标，用来衡量信号通过设备或系统时信噪比（SNR）的恶化程度。评估各种电子元件的噪声性能时，噪声系数是关键参数，尤其是在需要保持信号完整性的场景里，它的重要性更加突出。
对于无源器件来说，核心功能是无放大的信号传输，所以噪声系数和它们的损耗或衰减程度紧密相关。无源器件的噪声系数能反映出该器件对信噪比的影响，而这又会直接影响整体信号的质量。
噪声系数的测量在低噪声放大器（LNA）、混频器和接收机这类设备中最常见。这些器件在信号处理和通信系统里是关键角色，必须仔细考量它们的噪声特性。在这些设备中尽量降低噪声系数，对保证系统达到最佳灵敏度和信号质量起着决定性作用。
二、什么是噪声系数？
噪声系数是用来量化信号通过设备或系统时信噪比变差程度的参数。它衡量的是设备处理信号时，相比理想无噪声设备多产生的噪声量。噪声系数用dB作单位，是放大器、接收机等信号处理设备的关键指标，能体现它们的噪声性能。
1、定义：
简单来说，噪声系数的定义就是设备输入信噪比和输出信噪比的比值。它能把设备的噪声性能和理想的无噪声状态做个对比。噪声系数越低，说明设备性能越好，因为这意味着它给信号增加的噪声更少。
2、基本公式：
计算噪声系数的基本公式为：
其中：
SNRin是输入信噪比，SNRout是输出信噪比。
换算成dB为单位：
3、级联级数的弗里斯（Friis）公式
在包含多个级联组件（例如串联的多个放大器）的系统中，弗里斯（Friis）公式用于计算系统的整体噪声系数。弗里斯公式的表达式为：
其中：NFtotal是整个系统总的噪声系数，NF1、NF2...是每一级的噪声系数（线性值，非dB值，很多人在这里计算时候容易把单位弄错），G1、G2...是每一级的增益。
该公式凸显了第一级噪声系数和增益在决定系统整体性能中的重要性。
图1. 展示了无源器件和有源器件对噪声的影响。
图中通过无源器件 (Passive Devices)，信号功率下降（Attenuation, 衰减），噪声也随之下降。但由于器件本身没有“负噪声”，输入噪声的信噪比被破坏。结果就是信噪比变差，噪声系数上升。
而通过低噪声放大器 (LNA)，信号被放大（Gain），同时输入噪声也被放大。但关键是LNA自身引入的噪声很低，远小于放大的信号功率。所以输出的SNR和输入的SNR基本接近，甚至能维持较好水平。这就是为什么接收机前端要用LNA。
总结一句话，无源器件只会衰减信号，同时降低 SNR→引入较大的噪声系数。LNA在放大信号的同时保持较低噪声→可以最大限度维持SNR，降低系统噪声系数。
有很多在线的计算器，也可以用来计算级联NF。
https://www.everythingrf.com/rf-calculators/cascaded-noise-figure-gain-calculator
可以选择不同的级联的级数
在LNA、混频器和接收机这些设备里，噪声系数的测量特别常见。这些组件在信号处理和通信系统里都是关键角色，所以必须仔细琢磨它们的噪声特性。把这些设备的噪声系数降到最低，对保证系统达到最佳灵敏度和信号质量来说特别重要。
弗里斯噪声公式是评估系统整体噪声性能的关键工具之一。这个公式能算出由多个级联级数组成的系统的总噪声系数。从这不难看出，每个级数都会影响系统的整体噪声特性。公式把各个组件的噪声系数和它们的增益都考虑进去了，还突出了初始级数在决定系统噪声性能时的重要性。
总的来说，噪声系数在信号处理、电信和电子领域都是关键指标。弄明白它的含义，尤其是在低噪声放大器、混频器和接收机这些场景下，能帮工程师在系统设计和优化的时候做出更合理的决策。通过用弗里斯噪声公式这类工具，设计人员能有策略地控制和降低噪声的影响，最终提高电子系统的灵敏度和性能。
三、噪声系数测量
图2. 噪声和温度的关系
这张图告诉我们，输出信噪比由增益G、输入噪声N_i和放大器本身噪声N_a决定。噪声功率与温度、带宽成正比。室温下的热噪声功率谱密度是–174dBm/Hz，这是系统噪声计算的基准。
并且在高温下，热噪声主导在低温下，放大器本身的噪声可能更显著这也是为什么深空接收机常常要低温冷却前端放大器——降低 ，提高SNR。
工程师为了追求最佳的噪声性能，会用噪声系数仪来测量和评估设备或系统对信噪比的影响。这个测量过程得用到噪声源，而且这个方法对拿到准确可靠的结果来说很关键。
1、利用校准噪声源
噪声系数测量的基础是用带有校准超噪比（ENR）值的噪声源。ENR指的是噪声源在290K温度下产生的噪声和更高温度下产生的噪声之间的差值。这个经过校准的噪声源就像一个参考标准，能让人们准确评估被测设备或系统的噪声性能。
2、理解超噪比（ENR）
ENR以dB为单位表示，为噪声源引入的额外噪声提供了可量化的度量。它是在特定频率范围内指定的，并包含了在标准温度290K以上产生的额外噪声。这种校准确保了测量过程基于已知值，从而提高了噪声系数评估的准确性。
3、校准与输入要求
为了使噪声系数仪提供准确的测量结果，必须使用特定的噪声源对其进行校准。这一校准过程通常涉及将ENR与频率的对照表输入到仪器中。校准过程使仪器与噪声源的特性相匹配，从而实现了定制化且精确的测量。
4、接受噪声测量的线性
在测量噪声系数时，有个基本要点得清楚：噪声具有线性特性。和其他可能出现非线性表现的信号不一样，噪声的变化是遵循线性规律的。这一点对准确确定噪声系数特别关键，能保证测量结果真实反映出设备或系统对信噪比的影响。
整个噪声系数的测量过程，尤其是用噪声系数仪和校准噪声源的操作，是很细致且需要校准的。对ENR值的依赖、仪器校准的必要性，再加上对噪声线性特性的认知，这些因素共同构成了一套全面且准确评估电子元件和系统噪声特性的方法。有了这套方法，工程师就能在设计中优化信号质量、降低噪声影响，从而做出更合理的决策。
四、使用噪声系数仪进行噪声系数测量的分步方法
图5. 噪声系数测量仪示意图
准确测量设备（尤其是像LNA这样的关键器件）的噪声系数，对于评估和优化信号性能至关重要。 该过程涉及使用噪声系数仪与校准噪声源相结合，以确保测量的精确性。以下是进行噪声系数测量的分步方法：
1、校准噪声系数仪（NFM）
测量前得先用噪声源给噪声系数仪（NFM）校准，这一步是为了让仪器和噪声源的特性匹配上。校准的时候会把测量系统本身自带的固有噪声考虑进去，给噪声系数仪定个参考标准。这个校准过程一般要先把组件连好，要是有需要，还得加上前置放大器。
图6. 测试前需要对仪器进行校准
图7. 校准完成后的结果
2、将噪声源连接到LNA的输入端
一旦NFM校准完成，将校准后的噪声源连接到被测设备（在此情况下为LNA）的输入端。噪声源作为一个标准化参考，在指定频率范围内产生已知的噪声水平。这一步骤确保了NFM能够准确测量LNA引入的噪声特性。
3、将LNA的输出端连接到噪声系数仪的输入端
在噪声源连接到LNA的输入端后，将LNA的输出端路由到噪声系数仪的输入端。这一配置允许NFM捕获并分析从LNA输出的信号，同时考虑放大过程中引入的任何噪声。
4、测量噪声系数
一旦设置完成，在噪声系数仪上启动测量过程。仪器将根据来自噪声源的校准参考和从LNA获得的信号特性来计算噪声系数。
图8. 噪声系数测试结果
这种方法确保了噪声系数的精确测量，考虑了噪声的线性特性以及频谱上的任何变化。通过系统地遵循这些步骤，工程师可以获得可靠的噪声系数测量结果，这对于电子系统的设计和性能评估至关重要。
总结
噪声系数作为衡量设备噪声性能的核心指标，通过量化信噪比劣化程度，为系统灵敏度与信号质量优化提供了关键依据。本文从定义、弗里斯公式到测量方法，系统阐述了噪声系数的理论框架与实践流程，强调了校准噪声源与线性噪声特性的重要性。通过分步测量指导，工程师可精准评估低噪声放大器等组件的噪声特性，为系统设计提供可靠数据支持，从而在通信与电子领域实现信号完整性与性能的双重提升。
