使用ATE高效測量射頻到基帶噪聲指數(shù)

使用ATE高效測量射頻到基帶噪聲指數(shù)噪聲指數(shù)(NoiseFigure)主要測量的是組件的信噪比(Signal-to-noiseRatio,SNR)性能，信噪比是誤碼率(BER)和載波/噪聲比(C/N)等大部分?jǐn)?shù)字通信參數(shù)的基礎(chǔ)。以往只會針對射頻(RF)到射頻的組件，也就是低噪聲放大器(LNA)，進行噪聲指數(shù)測量，但在過去幾年，低噪聲放大器已被整合到接收器中，將信號從天線端帶到模擬或數(shù)字基帶的單元(I和Q)，因此，測試射頻到基帶架構(gòu)的噪聲指數(shù)已經(jīng)變得越來越普遍。測試射頻到基帶架構(gòu)的噪聲指數(shù)已是射頻組件量產(chǎn)測試必經(jīng)的步驟，為縮短測試時間和降低測試成本，必須在自動化測試設(shè)備中導(dǎo)入冷噪聲，或使用具任意波形發(fā)生能力噪聲源的Y系數(shù)方法來進行測試。射頻到基帶的前端電路包含一個與混頻器串接的低噪聲放大器，混頻器可以將射頻信號降頻轉(zhuǎn)換為基帶信號，這樣的組合在今日射頻組件的大量生產(chǎn)(HVM)測試中，已經(jīng)相當(dāng)普遍。雖然測量這些組件的噪聲指數(shù)所使用的方法與測量射頻到射頻組件的方法相同，但臺式測試設(shè)備與自動化測試設(shè)備(ATE)，以及射頻到射頻組件與射頻到基帶組件之間的運用方式還是有些不同。噪聲系數(shù)為噪聲指數(shù)根本噪聲指數(shù)可測量出組件會帶入多少噪聲到系統(tǒng)中，在射頻到基帶的接收器中，通過噪聲指數(shù)測量，可得知降頻轉(zhuǎn)換和放大過程會加入多少的噪聲。噪聲指數(shù)與信噪比這項基本的參數(shù)有關(guān)，從最早期的音響設(shè)備到最新一代的個人通信裝置等各種電子應(yīng)用中，信噪比都是極為重要的參數(shù)。噪聲系數(shù)(NoiseFactor,F)雖然較少使用，卻是噪聲指數(shù)的根本。噪聲系數(shù)是以線性的格式描述因某個組件所造成的信噪比降低程度：

(1)

噪聲系數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)化的參考溫度T=T0(IEEE訂為290K，約17℃)下，將輸入端的信噪比與輸出端的信噪比相除的結(jié)果。溫度之所以成為一項條件，是因為電子電路中的噪聲主要是由組件傳導(dǎo)媒介中的電子熱擾動(ThermalAgitation)所造成的，又稱為熱噪聲。由圖1描繪的方程式(1)可以看出這種噪聲對組件的影響：經(jīng)待測組件(DUT)放大后(增益值為G)的輸入功率位準(zhǔn)以及待測組件的輸出端所增加的噪聲降低了信噪比。請注意，輸入信號和輸入噪聲都被待測組件放大，使得兩者在待測組件輸出端的位準(zhǔn)都變高。然而，由于待測組件也會帶入一些噪聲，因此，輸出端的總噪聲會大幅提高。圖1信號通過半導(dǎo)體組件后，信噪比降低。圖中，輸入信號(a)的峰值功率不高，且信噪比很理想，但輸出信號(b)的峰值振幅變高，同時噪聲底線也提高，導(dǎo)致整體的信噪比性能變差。較常使用的術(shù)語是噪聲指數(shù)，一般以NF代表，其定義與噪聲系數(shù)有關(guān)，描述兩者關(guān)系的方程式如下：

NF|dB

=10log10(F)(2)

噪聲指數(shù)測量之道測量射頻到射頻噪聲指數(shù)的方法有好幾種，包括Y系數(shù)(Y-factor)、冷噪聲(ColdNoise)、雙倍功率(Twice-power)等，然而，就主流的射頻到基帶組件而言，只有其中兩種最常使用，分別是Y系數(shù)和冷噪聲方法，兩種方法各有其優(yōu)點。Y系數(shù)測量測量噪聲指數(shù)的Y系數(shù)方法可能是已知最古老的方法，大部分噪聲指數(shù)量表和分析儀幕后所采用的正是這種方法。測量時，須將一個噪聲源灌到待測組件的輸入端，然后在待測組件的輸出端測量噪聲功率。如此來，即可得到噪聲功率測量的比值，也就是Y系數(shù)，再進一步算出噪聲指數(shù)。Y系數(shù)方法須將噪聲源灌到待測組件的輸入端，如圖2所示。測量時，要先將噪聲源的電源打開再關(guān)閉，每一次都要在待測組件的輸出端進行一次功率測量。Y系數(shù)的定義為“熱”條件與“冷”條件下所測得之噪聲功率(以瓦為單位)的比值：

(3)

“熱”條件指的是噪聲源的電源為開啟狀態(tài)，并將噪聲加到待測組件中，就像利用信號產(chǎn)生器提供電壓或電源信號到待測組件的輸入端一樣。“冷”條件指的是噪聲源的電源未開啟，但還是有連接到待測組件的輸入端。幾乎所有噪聲源的“關(guān)閉”或“冷”條件狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)都提供一個50歐姆的終結(jié)負(fù)載到待測組件的輸入端。圖2將噪聲源灌入待測組件中，并通過測試系統(tǒng)測量其輸出的噪聲功率。A先將噪聲源的電源打開，以提供“熱”條件的噪聲(相對于其剩余噪聲功率比)。B再將噪聲源的電源關(guān)閉，提供50歐姆的“冷”條件終結(jié)負(fù)載到待測組件的輸入端。每個噪聲源都有其對應(yīng)的參數(shù)，稱為剩余噪聲功率比(ENR)。剩余噪聲功率比是熱條件與冷條件之間的功率位準(zhǔn)差，比較基準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)參考溫度T0(290K)下的熱平衡(ThermalEquilibrium)噪聲功率。經(jīng)過校準(zhǔn)的二極管式噪聲源都會注明其剩余噪聲功率比值。通過測量得到的Y系數(shù)，加上噪聲源的剩余噪聲功率比，就可以由方程式(4)計算出噪聲系數(shù)：

(4)

以及噪聲指數(shù)(以dB為單位)：

NF|dB

=ENR|dB–10log10(Y-1)(5)

測試射頻到基帶組件的噪聲指數(shù)時，Y通常會遠(yuǎn)大于1，因此，可以省略掉“-1”，得到下列簡化過的方程式：

NF|dB

=ENR|dB–(Phot–Pcold)(6)

當(dāng)使用內(nèi)建噪聲二極管的自動化測試設(shè)備、具射頻任意波形發(fā)生能力的噪聲源、或測試載板上有噪聲二極管時，常使用方程式(5)和(6)來測量射頻到基帶的噪聲指數(shù)。冷噪聲測量冷噪聲(或增益)測量方法是另外一種被認(rèn)為非常符合量產(chǎn)測試需求、適合射頻到基帶組件采用的方法。做法是將一個50歐姆的終結(jié)負(fù)載加到待測組件的輸入端，然后測量待測組件的冷條件噪聲功率。這種方法也須要測量待測組件的增益值，其優(yōu)點是，在典型的量產(chǎn)測試程序中，增益測試之后本來就常會接著進行這項測試，這樣一來，只須進行一次測量(噪聲功率)即可。有了增益和噪聲功率兩數(shù)值，就可依照方程式(7)計算出噪聲系數(shù)：

(7)

或利用方程式(8)得出以dB為單位的結(jié)果：

NF|dB=Pcold-(-174dBm/Hz)-10log10(B)-G|dB(8)

B是進行冷條件的噪聲功率測量Pcold時所使用的帶寬，-174dBm/Hz則是在290K的溫度下所伴隨出現(xiàn)的熱噪聲功率，為(1.38×10-23-J/K×290K)的乘積kT，轉(zhuǎn)換為以dBm為單位的對數(shù)格式。Y系數(shù)與冷噪聲比各有所長Y系數(shù)方法的優(yōu)點為進行兩次功率測量，并利用兩次測量結(jié)果的比值計算出噪聲指數(shù)。由于它是以比值的方式計算，使得測量結(jié)果為相對的，因此，測量設(shè)備的絕對功率準(zhǔn)確度就不是那么重要。其主要的缺點是經(jīng)常須要使用二極管式、固定剩余噪聲功率比的噪聲源，當(dāng)須要測量非常高或非常低的噪聲指數(shù)值時，會是一大問題。問題的成因可由方程式(5)來觀察，如果噪聲指數(shù)太大(相對于噪聲源的剩余噪聲功率比值)，則所測量到的熱噪聲功率值會造成Y接近1，因此，可能會得到不同于預(yù)期的噪聲指數(shù)。使用二極管式的噪聲源時，其剩余噪聲功率比是固定的。此剩余噪聲功率比可能適合某些組件，但不一定適合其他的組件，特別是如上所述噪聲指數(shù)較大的組件。在某些情況下，可以使用具任意波形發(fā)生能力的噪聲源，這種噪聲源可以調(diào)整剩余噪聲功率比值，以克服上述的問題。冷噪聲測量方法的優(yōu)點是只須要進行一次功率測量，因此，可縮短測試時間。整體而言，其測量的設(shè)置和進行方式都非常簡單。兩種方法都會測量冷條件的噪聲功率，也就是在待測組件的輸入端提供50歐姆的終結(jié)負(fù)載下進行，個中的差異在于Y系數(shù)方法須要測量熱條件的噪聲功率。除噪聲指數(shù)外，還可通過熱噪聲功率測量，計算出待測組件的增益值，這也是噪聲指數(shù)量表或頻譜分析儀能夠在頻域中顯示出增益和噪聲指數(shù)兩種信息的方法。選擇適當(dāng)噪聲指數(shù)測量方法射頻到基帶組件的主要差異點在于是否有較多可用的增益狀態(tài)，這是低噪聲放大器和混頻器合起來所能提供的增益控制結(jié)果。圖3所示的矩陣包含射頻到基帶的組件中，可能出現(xiàn)的四種不同增益與噪聲指數(shù)狀態(tài)的組合。圖3矩陣圖顯示出射頻到基帶的組件中，可能出現(xiàn)的四種不同增益與噪聲指數(shù)狀態(tài)的組合。具有高增益(不論噪聲指數(shù)是高或低)的組件是最容易測量，不管是使用冷噪聲或Y系數(shù)方法的測量結(jié)果都不錯。常用的經(jīng)驗法則是，增益和噪聲指數(shù)(以dB為單位)的和越高，噪聲指數(shù)就越容易測量。須要注意的是，就那些增益和噪聲指數(shù)俱高的組件而言，如果要采用Y系數(shù)方法，必須使用剩余噪聲功率比較高的噪聲源。這兩種方法測量低增益、低噪聲指數(shù)組件的效果比較差，因為測試系統(tǒng)本身的噪聲相對于待測組件的噪聲會比較顯著，這點主要會影響到兩種方法中的冷噪聲測量結(jié)果。就此特殊的狀況而言，兩種方法在生產(chǎn)在線都不容易執(zhí)行，可能須要使用前級放大器(Pre-amplifier)，以降低測試系統(tǒng)本身的噪聲指數(shù)效應(yīng)。所幸，在射頻到基帶的組件中，極少會出現(xiàn)這種低增益和低噪聲指數(shù)的組合。就低增益、高噪聲指數(shù)的組件而言，唯一須要注意的也是使用Y系數(shù)方法搭配固定剩余噪聲功率比的噪聲源時，如果該剩余噪聲功率比不夠大時，會使得測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確，這是因為待測組件所輸出的噪聲會遠(yuǎn)大于噪聲源所產(chǎn)生的噪聲，使得Y會接近1(方程式(5))。比較不同噪聲指數(shù)測試方法在此針對下列測量射頻到基帶噪聲指數(shù)的方法，研究分析個中的差異：?使用噪聲二極管的Y系數(shù)測量法

?使用具任意波形發(fā)生能力的噪聲源(剩余噪聲功率比=12.8dB)的Y系數(shù)測量法

?使用具任意波形發(fā)生能力的噪聲源(剩余噪聲功率比=36.8dB)的Y系數(shù)測量法

?冷噪聲測量法此研究是在含有雙組件測試載板的自動化測試設(shè)備環(huán)境中進行，用以執(zhí)行功率測量的是一組16位的基帶數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Digitizer)，所測試的對象則是一個工作頻率為2.4GHz的802.11b/g組件。所有的測量都是在相同的頻率下進行，但待測組件的增益設(shè)定值則有所不同。所有的噪聲功率都是以2MHz的帶寬測量得出。噪聲二極管(HP346A)的剩余噪聲功率比為12.8dB，為保持一致起見，具任意波形發(fā)生能力的噪聲源也要設(shè)定為產(chǎn)生剩余噪聲功率比為12.8dB的噪聲輸出。為解決待測組件的增益設(shè)定差異很大的問題，也會須要使用剩余噪聲功率比較高的噪聲源。此時，唯有采用具任意波形發(fā)生能力的噪聲源才有辦法做到，其噪聲輸出可提高到剩余噪聲功率比為36.8dB。表1所列為待測組件的增益設(shè)定以及預(yù)期會測量到的噪聲指數(shù)值。通過改變低噪聲放大器的增益值(實際上是進行衰減)，或是調(diào)整混頻器的放大值(因此預(yù)期會出現(xiàn)非線性的噪聲指數(shù)值)，可讓組件經(jīng)歷六種不同的增益狀態(tài)。請注意，當(dāng)預(yù)期的噪聲指數(shù)值比較低時，組件的增益會比較高，而隨著增益值降低，噪聲指數(shù)也會提高，但這六種狀態(tài)都還不至于落在圖3矩陣的左下方象限中。

表1用以進行研究的802.11b/g射頻到基帶組件的增益設(shè)定表增益設(shè)定的編號待測組件的增益值(dB)預(yù)期會測量到的噪聲指數(shù)值(dB)19532904360545085401763530由圖4的結(jié)果可清楚地看出，冷噪聲方法可相當(dāng)成功地追蹤出組件行為的變化，且當(dāng)噪聲指數(shù)因衰減增加可能變很高時，能提供最大的彈性。圖4在表1訂定的每一組增益設(shè)定下所測量到的噪聲指數(shù)值。Y系數(shù)方法就無法提供同樣的彈性。在第一組到第四組的增益設(shè)定中，顯然必須使用剩余噪聲功率比較低的噪聲源，而在增益值較低、噪聲指數(shù)較高的狀態(tài)下(第五組和第六組設(shè)定)，則須要使用剩余噪聲功率比較高的噪聲源。在研發(fā)工作臺上，還可以直接更換噪聲源(如果有的話)，然而，在使用噪聲二極管的自動化測試設(shè)備中，卻并不可行。此時，正是具任意波形發(fā)生能力的噪聲源其調(diào)整彈性可充分發(fā)揮之處。此外，若將采用噪聲二極管之Y系數(shù)測量方法的性能與采用具任意波形發(fā)生能力之噪聲源的Y系數(shù)測量方法相比較，兩者確實可以相提并論，代表使用任意波形發(fā)生器的Y系數(shù)測量方法也相當(dāng)穩(wěn)健。權(quán)衡數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可看出，就大量生產(chǎn)測量而言，最佳的選擇顯然為冷噪聲方法或使用具任意波形發(fā)生能力之噪聲源的Y系數(shù)方法。兩者不論在穩(wěn)定一致性、彈性、測量關(guān)聯(lián)性以及測試時間上，都能提供最佳的組合。ATE與生產(chǎn)線噪聲指數(shù)測量考慮由于噪聲指數(shù)測量須要分析低位準(zhǔn)的信號，因此，可能會出現(xiàn)很多的誤差來源。慶幸的是，在生產(chǎn)射頻到基帶組件的時候，較不須擔(dān)心這些因素。工程人員應(yīng)切記在生產(chǎn)在線執(zhí)行噪聲指數(shù)測量時，目標(biāo)不一定是要盡一切可能地測量出最準(zhǔn)確的噪聲指數(shù)絕對值，而是要找出有意義且穩(wěn)定一致的結(jié)果，能夠與研發(fā)工作臺上得到的噪聲指數(shù)測量結(jié)果有所關(guān)聯(lián)?？赡軐?dǎo)致噪聲指數(shù)測量結(jié)果不準(zhǔn)確的因素如下所列；而參考資料2中逐一探討了每一項因素，并且詳細(xì)說明這些因素對噪聲指數(shù)測量的不準(zhǔn)確度以及不確定度的影響。?

噪聲功率測量的平均計算

由于噪聲功率測量的功率位準(zhǔn)極低，因此，將功率測量的結(jié)果加以平均計算相當(dāng)重要。

?

溫度的差異

在現(xiàn)實生活中，噪聲源的實際溫度很可能并非290K。

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自動化測試設(shè)備的噪聲指數(shù)

如果目標(biāo)是要測量出最準(zhǔn)確的噪聲指數(shù)，就有必要取得測量噪聲功率之測試系統(tǒng)的噪聲指數(shù)。

?

待測組件與測試系統(tǒng)間的阻抗匹配

待測組件、接觸頭、測試載板以及測試系統(tǒng)之間的任何阻抗不匹配，都會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)不確定度和誤差。以量產(chǎn)時測量時間最短為評估標(biāo)準(zhǔn)若要在自動化測試設(shè)備的環(huán)境中導(dǎo)入噪聲指數(shù)測量，通常必須有所取舍。舉例來說，在降低測試成本的常態(tài)趨勢下，須盡可能縮短測量的時間，但這樣的訴求卻與測量低位準(zhǔn)信號(噪聲)的原則有所抵觸，因為測量低位準(zhǔn)的信號免不了須要進行平均計算，如此來會增加測量的運行時間。最終目標(biāo)其實是要在量產(chǎn)時，盡可能于最短的測量時間內(nèi)，取得穩(wěn)定一致、與研發(fā)測試結(jié)果的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確性最高的噪聲指數(shù)值。本文概要