手机接收通道噪声系数测试

    针对手机等接收机整机噪声系数测试问题，该文章提出两种简单实用的方法，并分别讨论其优缺点，一种方法是用单独频谱仪进行测试，精度较低；另一种方法是借助噪声测试仪的噪声源来测试，利用冷热负载测试噪声系数的原理，能够得到比较精确的测量结果。

问题提出

    下图是MAXIM 公司TD-SCDMA 手机射频单元参考设计的接收电路，该通道电压增益大于100dB ，与基带单元接口为模拟I/Q 信号，我们需要测量该通道的噪声系数。我们现有的噪声测试仪表是HP8970B ，该仪表所能测量的最低频率为10MHz ，而TD-SCDMA基带I/Q 信号最高有用频率成份为640KHz，显然该仪表不能满足我们的测量需求。

    下面我们将介绍两种测试方案，并讨论其测试精度，最后给出实际测试数据以做对比。

利用频谱仪直接测试



    利用频谱仪直接测量噪声系数的仪器连接如图2 所示，其中点频信号源用于整个通道增益的校准，衰减器有两个作用，一是起到改善前端匹配的作用；二是做通道增益校准使用，因接收机增益往往很高，大于100dB ，而一些信号源不能输出非常弱的信号，配合该衰减器即能完成该功能。

    测量步骤一，先利用信号源产生一个点频信号（一般我们感兴趣的是接收机小信号时的噪声系数，故此时点频信号电平应接近灵敏度电平），频点与本振信号错开一点，这样在基带I/Q 端口可以得到一个点频信号，调节接收机通道增益使I/Q 端点频信号幅度适中，测量接收机输入与输出端的点频信号大小可以求得这时的通道增益，记为G；

    测量步骤二，接步骤一，关闭信号源，保持接收机所有设置不变，用频谱仪测量I/Q 端口在刚才点频频点处的噪声功率谱密度，I 端口记为Pncdensity(dBm/Hz), Q 端口记为Pnsdensity(dBm/Hz) ，则接收通道噪声系数有下式给出：



    上式中kb 表示波尔兹曼常数，F 是噪声系数真值，我们用NF 表示噪声系数的对数值，NF＝10lg(F)， G表示整个通道增益，T1为当前热力学温度，T0等于290K。假定T1＝T0，容易求得NF 的显式表达式如下：



    关于方程2 与方程3 的正确性，我们可以做如下简单推导。先考虑点频情况，设接收机输入端点频信号为：



    现在考虑噪声问题，为简化计算，这儿设当前温度为290K ，即定义噪声系数的标准温度。根据噪声系数的定义，我们可以将系统产生的噪声等效到输入端口，该噪声与资用噪声功率和应等于资用噪声功率的F倍。下面我们用一个窄带平稳高斯过程来描述这两部分噪声之和，设噪声带宽为2B，下面方程给出了该噪声的一些特性：



　　比较方程4 与方程7，再参照方程5 式与6 式，我们可以得到接收机输出端的噪声表达式：



　　结合方程8 与方程7 可以直接得到方程2，结合方程9 与方程7 可以直接得到方程3，注意I 与Q 端口噪声带宽为B，是射频噪声带宽的一半。下图比较形象地给出了噪声变换过程:



　　测量步骤一，先将接收机接到点频信号源侧，利用信号源产生一个灵敏度电平的点频信号（因为我们通常感兴趣的是接收机小信号时的噪声系数），频点与本振信号错开一点，这样在基带I/Q 端口可以得到一个点频信号。调节接收机通道增益使I/Q 端点频信号幅度适中；

　　测量步骤二，接步骤一，保持接收机所有设置不变，将接收机接到噪声源一侧，噪声源置为冷态，设冷态噪声温度为T1，用频谱仪测量I 端口噪声功率谱密度（I与Q有相同的性质，故此处仅提及I 端口），记为Poc(dBm/Hz)；

　　测量步骤三，接步骤二，保持接收机设置不变，噪声源置为热态，设噪声温度为T2，用频谱仪测量I 端口噪声功率谱密度，记为Poh(dBm/Hz)；

　　所谓Y 系数法中的Y 即测量步骤三与测量步骤二两测量值的比值：



　　设接收机等效噪声温度为Te。我们可以用冷态源噪声温度，热态源噪声温度，接收机等效噪声温度来表示系数Y，如下式：



　　设噪声头超噪比为ENR，标准噪声温度为T0（290K ），根据超噪比定义可得到下面等式：



　　根据噪声系数与等效噪声温度定义可以得到下式：



　　联立方程11，12，13，可以容易求得噪声系数关于ENR、Y、T1、T0 的函数关系，其对数表达形式如下：



　　一般冷态噪声温度接近标准噪声温度，在对精度要求不高时，可以认为T1＝T0，上式可以简化为：



　　上式中Y 由方程10 给出，是间接测量值，ENR 由噪声头给出。根据该等式可以方便求出接收机噪声系数。

两种测试方法的优缺点比较

　　利用方法一测试MAXIM 公司TD-SCDMA 手机接收通道噪声系数，先利用点频信号测量通道增益，输入点频信号为－105.6dBm ，频点2015.95MHz，MAX2392 的LNA 与混频器置为高增益高线性状态，VGC 电压调到2.63V，本振频点置为2015.8MHz ，这时我们在I 输出端测到-3.5dBm 的150KHz 点频信号，从而计算出整个通道增益为102.1dB 。现在关掉输入的点频信号，利用频谱仪测量I 端口在150KHz 频点处噪声功率谱密度，我们用的频谱仪是RS 公司FSEA，为使噪声测量结果精确，检波方式设为“SAMPLE”， 然后再利用“Maker Noise ”功能测试。我们测到噪声功率谱密度为-63.5dBm/Hz 。根据方程2 可以容易计算出整个通道的噪声系数为：



　　利用方法二测试MAXIM 公司TD-SCDMA 手机接收通道噪声系数，接上面的测量，保持MAX2392 工作状态不变。在上面测试中得到的I 端口150KHz 频点处噪声功率谱密度即为冷态噪声源时的噪声功率谱密度，现在仅需测热态时该频点处噪声功率谱密度。这儿我们用的是Noise/Com 公司的NC346A 噪声头，其在2G 频点处超噪比ENR＝5.91dB。利用与方法一中同样的测试方法，我们测到热态时在150KHz 处噪声功率谱密度为60.4dBm。根据方程10 可以计算出Y 系数为3.1dB ，再根据方程15 我们可以计算出整个通道的噪声系数为：



　　比较上面两种方法得到的测量结果，仅差0.3dB，测试结果是比较理想的。这两种方法中，第二种测试方法更精确一些，原因是频谱仪在测量噪声功率谱密度时可能会有误差，频谱仪的中频滤波器的信号带宽与噪声带宽一般不等，有的频谱仪会给出一个修正值，有的则没有，如我们没有考虑该修正值，或仪表在读数上未做修正，则我们测到的噪声功率谱密度就可能有1dB 左右偏差，导致最终噪声系数1dB 左右偏差。如按第二种方法测试，因为我们仅需知道冷热噪声源时功率谱密度比值，即便在冷热两种噪声源时测到的功率谱密度有偏差，其比值依然是正确的，从而提高了噪声的测量精度。