Noise Figure, NF의 개념에 대하여

1. Noise Figure, NF의 개념

Noise Figure (NF)는 전자 장치나 시스템이 신호를 처리하는 과정에서 SNR(Signal-to-Noise Ratio)이 얼마나 물리적 성질이 나빠졌는지를 나타내는 지표입니다. 즉, 장치나 시스템이 신호를 증폭하거나 처리할 때 얼마나 추가적인 잡음에 노출되는지를 알아보는 지표로 사용됩니다. Noise Figure가 낮을수록 성능이 우수한 것으로 간주합니다.

1.1 Noise Factor, F와 NF의 관계

Noise Factor (F): 시스템의 입력 SNR과 출력 SNR의 비율로 정의됩니다.

F = SNR_in / SNR_out

Noise Figure (NF): Noise Factor F 를 데시벨(dB)로 변환한 값입니다.

NF(dB) = 10 log10(F)

따라서 NF가 높다는 것은 시스템을 거치면서 SNR이 그만큼 더 감소(열화)했음을 의미합니다.

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2. Noise Figure 의 중요성

• 수신기 및 증폭기: 무선 통신 시스템에서 특히 중요한 지표입니다. NF가 높으면 미약한 신호가 잡음에 묻혀버려 데이터 전송 오류나 통신 품질 저하가 발생할 수 있습니다.
• 통신 시스템 설계: NF가 낮으면 수신 감도(Sensitivity)를 개선할 수 있습니다. 위성 통신, 5G, 레이더 등 높은 성능이 요구되는 시스템은 NF를 최소화하는 것이 필수입니다.
• 전체 시스템 성능 좌우: 여러 단계로 이루어진 캐스케이드(cascade) 시스템에서는 첫 번째 증폭기(특히 LNA)의 NF가 전체 시스템 성능에 큰 영향을 미칩니다.

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3. Thermal Noise의 개념

Noise Figure를 논할 때는 Thermal Noise (열잡음)가 핵심적으로 등장합니다. 이는 온도에 의해 발생하는 잡음으로, 전자 소자 내부의 전하(전자)들의 열적 운동에 의해 생성됩니다.

Thermal Noise Power는 다음과 같이 표현됩니다:

P_thermal = kTB

• k: 볼츠만 상수 (1.38 × 10⁻²³ J/K) 
• T: 절대 온도 (K)
• B: 대역폭 (Hz)

온도와 잡음의 관계: 온도가 상승하면 kTB 값이 증가하여 잡음이 커지고, 결과적으로 NF도 악화됩니다. 따라서 고성능 시스템 설계에서는 온도 관리가 중요합니다 (예: 방열 설계, 냉각 시스템 도입 등).

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4. Noise Figure의 계산 예시

4.1 이상적인 증폭기 (NF = 0 dB)

• 이득(Gain): 10 dB
• 시스템 대역폭: 10 MHz
• 입력 신호 전력 S_in: -80 dBm
• 입력 잡음 전력 N_in: Thermal Noise (k T B)로 -104 dBm 가정  

입력 및 출력 SNR 계산

입력 SNR = S_in - N_in = (-80) - (-104) = 24 dB

출력 SNR = S_out - N_out = (-70) - (-94) = 24 dB  

F = 24 / 24 = 1 → NF = 10 log10(1) = 0 dB 

즉, 이상적인 증폭기는 NF가 0 dB이며, 이는 추가적인 잡음이 전혀 없음을 의미합니다.

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4.2 실제 증폭기 (NF > 0 dB)

출력 잡음 전력이 증가한 경우 (예: -91 dBm)  

출력 SNR = (-70) - (-91) = 21 dB  
F = SNR_in / SNR_out = 24 / 21 ≈ 1.14  
NF(dB) = 10 log10(1.14) ≈ 0.58 dB  

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5. Cascade System에서의 Noise Figure 합성 (Friis 공식)

Friis 공식:

F_total = F1 + (F2 - 1) / G1 + (F3 - 1) / (G1 G2) + ...

• F_n : 각 장치의 Noise Factor
• G_n : 각 장치의 선형 Gain (로그 단위가 아님에 주의)

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6. Noise Figure의 측정 및 관리

• Noise Source와 Noise Figure Analyzer를 활용한 측정
• Noise Source를 통해 일정한 잡음을 입력하고, 출력에서 SNR을 측정하여 NF를 계산
• Thermal Noise kTB를 기준으로 보정값 적용

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7. Noise Figure를 낮추는 방법

• 고성능 저잡음 증폭기(LNA) 사용
• 대역폭 최적화 (불필요한 잡음 최소화)
• 저잡음 부품 선택 (Low Noise Transistor, Low Noise Resistor 사용)
• 온도 관리 (Cooling System, Heat Sink 등 활용)