引言

噪聲系數(shù)的一般概念很好理解，并被系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)人員廣泛采用，尤其被產(chǎn)品定義和電路設(shè)計(jì)者用來表示噪聲性能，以及預(yù)測接收系統(tǒng)的總體靈敏度。

當(dāng)信號鏈中存在混頻器時(shí)，噪聲系數(shù)分析就會產(chǎn)生原理性問題。所有實(shí)數(shù)混頻器均折疊本振(LO)頻率附近的RF頻譜，產(chǎn)生輸出，其中包括兩個(gè)邊帶頻率的疊加，合成公式為f_OUT=|f_RF-f_LO |。在外差式結(jié)構(gòu)中，可能認(rèn)為其中之一是雜散頻率，而另一成分才是有用的，因此需要采用鏡像抑制濾波或鏡像消除方法來大幅消除這些響應(yīng)中的一種響應(yīng)。在直接轉(zhuǎn)換接收機(jī)中，情況則不同：兩個(gè)邊帶(f_RF=f_LO的上邊帶和下邊帶)均被轉(zhuǎn)換并用于預(yù)期信號，所以其實(shí)是混頻器的雙邊帶應(yīng)用。

業(yè)內(nèi)經(jīng)常使用的各種定義解釋噪聲折疊的不同程度。例如，傳統(tǒng)的單邊帶噪聲系數(shù)F_ssb假設(shè)允許來自于兩個(gè)邊帶的噪聲折疊至輸出信號，但只有一個(gè)邊帶對表示預(yù)期信號有用。如果兩處響應(yīng)的轉(zhuǎn)換增益相等，這就自然造成噪聲系統(tǒng)增大3dB。相反，雙邊帶噪聲系數(shù)假設(shè)混頻器的兩處響應(yīng)包含有預(yù)期信號，則噪聲折疊(以及對應(yīng)的信號折疊)不影響噪聲系數(shù)。雙邊帶噪聲系數(shù)被應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)換接收機(jī)以及射電天文接收機(jī)。然而，較深層次的分析表明，對于設(shè)計(jì)者來說，為給定的應(yīng)用選擇正確的噪聲系數(shù)的“方式”，然后替代標(biāo)準(zhǔn)弗林斯公式中的數(shù)字是不夠的。如果這么做，會造成分析結(jié)果產(chǎn)生相當(dāng)大的錯(cuò)誤，當(dāng)混頻器或混頻器之后的器件對確定系統(tǒng)噪聲系數(shù)的作用比較重要時(shí)，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重后果。

本文綜合介紹噪聲系數(shù)的基本定義、混頻器級聯(lián)模塊的公式分析方法，以及評估噪聲系數(shù)的典型實(shí)驗(yàn)室方法。在第一部分中，我們介紹具有一個(gè)或多個(gè)混頻器時(shí)如何修改級聯(lián)噪聲系數(shù)公式，并得出適用于常用下變頻結(jié)構(gòu)的公式。我們在第二部分繼續(xù)深入討論噪聲系數(shù)測量的Y因子法。第二部分中，我們集中討論混頻器作為被測器件的情況，以便利用第一部分得出的級聯(lián)公式得出適用的混頻器噪聲系數(shù)的測量方法。

混頻器噪聲的概念模型

將混頻器噪聲分布形象化的方法之一是設(shè)計(jì)一個(gè)混頻器概念模型(圖1)，該模型基于安捷倫的Genesys仿真程序提供的模型¹。

圖1. 混頻器噪聲分布。

該模型中，輸入信號分成兩個(gè)獨(dú)立的信號通路，一路表示高于LO的RF頻率，另一路表示低于LO的頻率。每路信號在混頻器中進(jìn)行獨(dú)立的相加噪聲處理，以及采用獨(dú)立的轉(zhuǎn)換增益。最后，兩路信號的頻率轉(zhuǎn)換至中頻，與混頻器輸出級可能產(chǎn)生的其它噪聲進(jìn)行相加組合。預(yù)期及鏡像頻帶中的單位帶寬自噪聲功率可能不同，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換增益也可能不同。

為了方便起見，我們將輸出處所有噪聲源收集在一起統(tǒng)稱為總體噪聲N_A，表示混頻器輸出端口上的單位帶寬總噪聲功率。

N_A=N_sG_s+N_iG_i+N_IF.

注意，N_A并不完全依賴于混頻器輸入端口上是否有信號存在。
                                             

圖2. 噪聲源及混頻器噪聲分布。

在匯總了混頻器的內(nèi)部噪聲源之后，我們現(xiàn)在分析可歸結(jié)至源端點(diǎn)的噪聲(圖2)。我們識別出兩個(gè)離散噪聲源，分別表示預(yù)期頻率和鏡像頻率處源端點(diǎn)引起的輸入噪聲密度。由于應(yīng)用電路會造成其中一路衰減，而另一路以低損耗傳輸至混頻器的RF輸入端口，所以我們必須將其作為獨(dú)立參量加以考慮。當(dāng)鏡像和預(yù)期RF頻率隔離很好并采用頻率選擇性匹配濾波時(shí)，就極可能是這種情況。

寬帶匹配濾波情況下，我們可以記作N_OUT=N_A+kT₀G_s+kT₀G_I。然而，當(dāng)混頻器在預(yù)期RF頻率處進(jìn)行高Q、頻率選擇性匹配濾波時(shí)，源端點(diǎn)在鏡像頻率下引起的輸出噪聲可能忽略不計(jì)，所以N_OUT=N_A+kT₀G_s。通常情況下，我們可以為混頻器輸入端口在鏡像頻率下可用的輸入源端點(diǎn)噪聲功率的有效部分分配一個(gè)系數(shù)α。這樣即有N_OUT=N_A+kT₀G_s+αkT₀ G_I，其中α是應(yīng)用相關(guān)的系數(shù)，范圍為0≤α≤1。隨后我們將看到，具體應(yīng)用中的有效噪聲系數(shù)取決于α的值。