克服小訊號量測限制：使用 FSWP 實現動態雜訊指數 (NF) 精準分析
- Sonya Chan
- 10月19日
- 讀畢需時 4 分鐘
概覽：為何真實運作條件下的雜訊指數至關重要
在雷達、衛星通訊及高頻通訊系統的設計中，雜訊指數 (Noise Figure, NF) 是決定接收器靈敏度與整體系統效能的核心指標，然而，工程師面臨一個長期的痛點：傳統的雜訊指數量測方法，例如 Y-factor (Y 因子) 方法，通常是在小訊號 (small-signal) 條件下執行的。
這種小訊號測試結果，無法準確反映如放大器等主動元件在實際工作負載下的真實效能，因為這些元件為了達到最佳效率與線性度，其運作點往往接近 1 dB 壓縮點，當元件被驅動至大訊號 (large-signal) 狀態時，其雜訊特性會發生顯著變化。
這種量測與實際應用之間的差異，將導致系統鏈路預算 (link budget) 的估算出現嚴重偏差，因此，業界迫切需要一種能夠在動態、真實運作條件下量測雜訊指數的解決方案，本文將探討如何利用相位雜訊的量測結果，推導出更具參考價值地的大訊號雜訊指數。
R&S®FSWP 相位雜訊分析儀暨 VCO 測試儀
R&S®FSWP 相位雜訊分析儀暨 VCO 測試儀是一款高階儀器，能精確分析雷達與通訊系統關鍵元件中的雜訊。相位雜訊量測可用於推導待測物 (DUT) 在真實運作條件下的大訊號雜訊指數。
您的挑戰：小訊號雜訊指數的侷限性
雜訊指數 (Noise figure) 量測通常用於描述訊號路徑中放大器、頻率轉換器與其他裝置的效能，裝置的量測或規格書所載的雜訊指數，是系統設計者在計算傳輸系統的上行鏈路 (uplink) 和下行鏈路 (downlink) 預算時所使用的關鍵參數。
傳統的雜訊指數量測採用通用的 Y-factor (Y 因子) 方法，這種量測方式使用頻譜分析儀與雜訊源，來量測由寬頻校準雜訊源激發的裝置所產生的附加雜訊 (additive noise)；此類量測期間的功率位準會產生所謂的小訊號功率位準，這些雜訊指數並未直接關聯到實際的運作條件，而裝置的實際條件在很大程度上取決於輸入功率。
發射器中的放大器通常不會在小訊號狀態下使用，小訊號雜訊指數對於接收器而言更為重要；行動基地台發射器或雷達中的放大器，其正常運作條件往往處於一個非常特定的運作範圍內，以實現最佳的線性度與效率，這個範圍通常接近裝置的 1 dB 壓縮點；因此，Y-factor 方法所產生的雜訊指數，可能無法代表裝置在真實運作條件下的實際效能。
R&S 解決方案：從相位雜訊推導雜訊指數
裝置的相位雜訊與雜訊指數密切相關，放大器的雜訊源大致可分為 1/f 閃爍雜訊 (flicker noise) 以及超過閃爍雜訊轉折點 (flicker knee) 的寬頻雜訊，由於雜訊指數反映了裝置產生的寬頻雜訊，因此可使用寬頻相位雜訊量測來計算雜訊指數。
R&S®FSWP 訊號源分析儀可協助改變 DUT 驅動位準，讓使用者更深入理解裝置在不同運作條件下的附加/殘餘相位雜訊與雜訊指數效能。
雜訊指數 (NF) 可透過相位雜訊的量測結果，使用以下方程式計算得出：
NF = L(f) – Nth + Pin
其中：
L(f)：在指定偏移頻率下量測的相位雜訊，單位為 dBm (1Hz)
Nth：熱相位雜訊 (–177 dBm (1 Hz))
Pin：施加於 DUT 的校準訊號位準
實例說明
使用 Y-factor 方法在 1900 MHz 頻率下，量測到某放大器的小訊號雜訊指數為 1.9 dB，現在，我們改用相位雜訊法來計算該放大器在不同輸入位準下的雜訊指數。
DUT 驅動位準 (dBm) | 相位雜訊 (dBc (Hz)) | 雜訊指數 (dB) |
–25 | –150.4 | 1.6 |
–20 | –155.3 | 1.7 |
0 | –169.4 | 非小訊號方法 |
結論
由於 DUT 被驅動至接近甚至超過其 1 dB 壓縮點（0 dBm 驅動位準），其附加相位雜訊以及由此計算出的雜訊指數明顯惡化，這表示在真實世界的運作條件下，透過相位雜訊量測所得到的大訊號雜訊指數，才是計算傳輸系統鏈路預算時更為可靠的方法。
R&S®FSWP 相位雜訊分析儀暨 VCO 測試儀 能執行精確且可靠的寬頻相位雜訊量測，協助工程師計算出裝置在各種運作條件下的真實雜訊指數。
相關產品介紹：R&S®FSWP
極高的量測靈敏度： R&S®FSWP 具備極低的內部雜訊底層，使其能夠精確量測附加相位雜訊 (additive phase noise)，這是計算大訊號雜訊指數的基礎。
支援殘餘雜訊量測： 該儀器能可靠地分析放大器與其他主動元件在真實驅動位準下的殘餘相位雜訊，完美符合實際運作條件的測試需求。
寬廣的頻率範圍： 支援高達 50 GHz 的頻率範圍（視選配項目而定），涵蓋了現今雷達與衛星通訊應用的主要頻段。
一鍵式量測： 簡化了複雜的相位雜訊設定，可快速取得待測物在不同功率位準下的效能表現，大幅提升測試效率。
