信号放大了，就能测准吗？

信号太弱，测不到，放大一点不就行了吗?日常测试中，这个看似简单的问题，却常常让工程师面临意想不到的挑战。

场景一

卫星信号太弱，放大就能解决问题吗？

卫星信号跨越数百甚至数万公里，到达地面接收机时，功率可能已经低至−150dBm，甚至更低。工程师在做接收机验证的时候，在接收机前端增加低噪声放大器（LNA），信号功率提高了 20 dB，但接收灵敏度就一定能达到预期吗？

场景二

两个放大器增益相同，为什么接收效果不同？

实验室里，两款 LNA 的增益都是 20 dB，S 参数测试结果看起来也很接近。但装入同一接收系统后，一款能够稳定接收微弱信号，另一款却出现明显的性能下降。问题究竟出在哪里？

场景三

频谱仪上看不到信号，打开前置放大器，信号放大，能测准吗？

当被测信号接近频谱分析仪的噪底时，工程师往往会开启内置前置放大器，信号终于清晰可见，这个操作对整个测试链路产生了哪些影响？

下面，我们以一个放大器举例说明

在理想情况下，放大器会以相同的比例放大输入信号和输入噪声，因此输入端与输出端的信噪比保持不变。然而，现实中的放大器并非如此。

点击切换输出端 (b)

放大器输入端 (a) 和输出端 (b) 的典型信号和噪声电平与频率的关系。请注意，由于放大器电路引入了额外的噪声，因此噪声电平比信号电平上升得多一些，导致输出端的信噪比下降。

换句话说，放大器虽然能够提高信号功率，却无法保证信噪比得到改善。信号放大了，考虑到引入的额外噪声，测量的结果未必更加准确。

现代接收系统需要经常处理非常微弱的信号，而这样的信号往往会被系统内带来的噪声所掩盖。工程上常使用接收系统输出端的信噪比（SNR）作为衡量通信系统性能的一项重要指标。

通常，改善系统信噪比会常用到以下方法:

增大发射功率

减少路径损耗

降低接收机自身的噪声，通常更容易实现，成本也更低

由于前两种方法在实际应用中会受到诸多限制，第三种方法是现实中最容易采用的方法。工程师们会通过合理控制各级器件的噪声和增益，从而达到在各个器件以及整条链路有效控制整个接收系统的噪声性能。

评估噪声性能，就要请出今天的主角

噪声系数(Noise Figure, NF)

它的定义为：输入端信噪功率比与输出端信噪功率比的比值。射频网络的噪声系数反映了信号经过该网络时，信噪比的恶化程度。定义公式如下：

假设：测试系统阻抗为50 Ω

一条接收链路中，谁对噪声的影响最大？

现实中，接收机信号可能依次经过滤波器、LNA、混频器、中频放大器等多个器件。每一级都会对整个接收系统的噪声性能产生影响。那么，系统的总噪声系数级联公式如下：

F总= F₁ + (F₂−1)/G₁ + (F₃−1)/(G₁G₂) + …

其中，F 表示线性噪声因子，G 表示线性功率增益。公式揭示了一个重要规律：越靠近接收链路前端的器件，其噪声性能通常越重要。

如何进行

噪声系数的精确测量呢？

噪声系数的测量方法有两种：

方法一:Y因子法(冷热源法)

使用有标称超噪比(ENR)的噪声源

分别测量噪声源处于开启(Hot)和关闭(Cold)状态时，被测器件输出端的噪声功率

通过两次测量得到的功率比值，

即Y-Factor

Y因子法噪声系数测量原理、计算公式及测试设备

使用信号分析仪和噪声源进行噪声系数测量的两个基本步骤--系统校准与DUT测量。

Keysight噪声系数分析仪、频谱分析仪、ieldfox手持分析仪采用了这种方法为用户提供测试能力。

方法二:冷源法(直接测量法)

独立的增益测量

使用冷态下(室温)阻抗端接以及

支持单次连接下的S参数和噪声系数测量(以及其它测量)

Keysight 矢量网络分析仪(配备了噪声系数测试功能的PNA-X)使用了该方法提供则试能力。

两种测试方法的特点分别是什么呢？

Y因子法 

测试原理成熟、应用广泛。

Keysight X 系列信号分析仪可通过专用应用程序实现一键式测量。信号分析仪还可以用于频谱、杂散、谐波及其他射频信号分析。

对于已经配备频谱分析仪的实验室，增加适当的软件选件与噪声源，就可能扩展噪声系数和增益测量能力，减少额外购置专用仪器的需求，是高性价比之选。

但在实际测试中，Y因子法的准确度也受到实际测试条件的影响，噪声源直接连接被测器件，工程师可能需要使用电缆、转接头、开关矩阵，甚至晶圆探针。这些连接结构不仅会引入损耗，还可能改变测试系统的源阻抗匹配，导致整个系统并非是理想的50 Ω阻抗匹配，从而增加了测量不确定度。

冷源法

不仅测量噪声，更关注测量准确度。

由于冷源法对增益测量准确度要求较高，因此特别适合与矢量网络分析仪结合使用。

Keysight PNA-X 系列矢量网络分析仪，它不仅能够精确测量器件的 S 参数和增益，还可以利用矢量误差修正技术，有效降低阻抗失配带来的测量误差。更重要的是，配置相应噪声测量功能的 PNA-X，还可通过先进的源阻抗修正技术，降低被测器件噪声参数与测试系统源阻抗相互作用产生的误差，进一步提高噪声系数测量的准确度。

这一技术优势对于输入匹配不理想的低噪声放大器（LNA）、晶圆级射频器件，以及需要通过开关矩阵进行自动化测试的复杂应用场景，尤其具有价值。

除了高精度噪声系数测量，PNA-X 还具备强大的多参数联合测试能力。在配置相应测量选件的情况下，仅需一次连接被测器件，即可完成 S 参数、噪声系数、增益与相位压缩、谐波及互调失真（IMD）等多项射频性能测量，减少重复连接和测试配置切换，显著提升研发验证与生产测试效率。