Измерение коэффициента шума
В статье описано оборудование и методика измерения коэффициента шума с помощью векторных анализаторов цепей производства ООО «ПЛАНАР» с опцией NF.
Авторы: С. Заостровных, В. Губа, А. Пивак
ВВЕДЕНИЕ
Измерение коэффициента шума (КШ) играет важную роль в обеспечении качества радиотехнических устройств, а также в их эффективном применении в различных приложениях. Есть несколько аспектов, определяющих значение этих измерений.
Эффективность приема. КШ усилителя или приемника указывает на способность устройства усиливать полезный сигнал по сравнению с внутренними шумами и искажения- ми. Низкое значение коэффициента шума позволяет более эффективно получать и обрабатывать слабые радиосигналы, особенно в условиях с высоким отношением сигнал/шум.
Чувствительность и дальность приема. Низкий коэффициент шума позволяет увеличить чувствительность приемника и расширить дальность его приема. Это важно, например, для радиосвязи, радиолокации и спутниковых систем, где слабые сигналы могут передаваться на большие расстояния.
Качество и четкость сигнала. Низкий уровень шума помогает сохранить качество и четкость сигнала, особенно при приеме аналоговых сигналов, таких как аудио и видео. Это важно, например, в радиовещании и телевидении.
Спектральная чистота. Высокий коэффициент шума усилителя может способствовать спектральным искажениям сигнала. Измерение коэффициента шума позволяет контролировать и минимизировать такие искажения, что важно в приемниках, работающих в плотных радио-частотных диапазонах.
Экономия энергии. Усилители и приемники с более низким коэффициентом шума обычно потребляют меньше энергии. Это важно в мобильных устройствах, беспроводных коммуникациях и других приложениях, где эффективное использование энергии играет важную роль.
Соответствие стандартам. Устройства радиосвязи и радиолокации должны соответствовать определенным стандартам и нормативам. Измерение и документирование коэффициента шума помогает подтвердить соответствие этим стандартам.
Опция NF – это решение для измерения коэффициента шума усилительных и приемных устройств без преобразования частоты с помощью векторных анализаторов цепей. Опция включает следующие компоненты (табл. 1):
• измерительный приемник, в качестве которого при- меняются в данном случае анализаторы цепей серии «КОБАЛЬТ» производства ООО «ПЛАНАР»;
• малошумящие усилители серии AMP (предусилители);
• генератор шума;
• программа NF (распространяется на условиях лицензионного соглашения).
рисунок 1
При разработке программы NF были соблюдены следующие принципы.
Эффективное управление прибором. Программа должна обладать интуитивным графическим интерфейсом и обеспечивать оператору эффективное управление прибором. Для достижения этой цели были разработаны меню элементов управления, панель с кнопками быстро- го доступа и мастер проведения калибровки.
Анализ данных. Программа должна предоставлять инструменты для анализа данных. Чтобы соответствовать указанному требованию, был разработан менеджер графиков (трасс) с контекстным меню, реализована возможность размещения графиков на разные диаграммы с собственными вертикальными осями, а также маркеры и ограничительные линии.
Сохранение данных. Программа должна обеспечивать возможность сохранения пользовательских настроек и результатов измерений в файл или в виде графических данных. Для поддержки данного требования, акцент был сосредоточен на создании файла состояния, охватывающего не только настройки, но и калиброванные коэффициенты, маркеры, ограничительные линии и графики памяти. Загрузив такой файл, пользователь может немедленно приступить к измерениям.
Удаленное управление. Программа должна позволять оператору удаленное управление. Для этого реализована поддержка протокола управления и обмена данными TCP/IP Socket-сервер.
Рассмотрим оборудование и методологии, используемые для измерений КШ.
ВЕКТОРНЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ ЦЕПЕЙИзмерение коэффициента шума, а именно мощности шумового сигнала, выполняется с помощью измерительного приемника векторных анализаторов цепей. В данном контексте термин «стандартный анализатор» или «стандартный приемник» означает измерительное устройство или его часть, специально разработанные и адаптированные для измерений S-параметров радио- технических устройств.
Стандартный приемник выполнен по супергетероди ной схеме без преселектора. Его входная цепь – это группа выделения сигналов, представляющая собой пассивное устройство с потерями, приблизительно равными 15…20 дБ. Распределение усиления в тракте приемника выбрано так, чтобы обеспечить прием сигналов в широком динамическом диапазоне, значительно превышающем 100 дБ. Уровень собственного шума составляет по- рядка –135…–140 дБм/Гц в зависимости от модели анализатора. Если говорить в терминах КШ, то получается, что КШ стандартного приемника близок к 40 дБ.
Вычислим мощность шума, приведенную к входу приемника, в полосе 1 МГц: NIN = kT0 BF ≈ –74 дБм (рис. 1).
Входная мощность шума стандартного приемника получается слишком высокой для прямого определения КШ устройств. К примеру, в той же полосе частот мощность на выходе усилителя с коэффициентом 10 дБ при температуре TH будет составлять порядка –90 дБм, практически на 20 дБ меньше уровня собственных шумов приемника.
Для увеличения чувствительности анализатора опция NF включает в себя аппаратную часть – внешний малошумящий усилитель (МШУ).
Составим таблицу параметров измерителя коэффициента шума со специализированным шумовым приемником и векторного анализатора цепей со стандартным приемником (табл. 2). Проанализируем, какие параметры соответствуют требованиям, какие не подходят и что необходимо добавить для проведения измерений КШ.
Табл. 2 показывает, что необходимо изменить в векторном анализаторе цепей на программном и аппаратном уровнях, чтобы он стал средством измерения КШ:
• расширить математический аппарат;
• увеличить чувствительность приемника;
• обеспечить селекцию входных сигналов (где реа- лизуемо);
• добавить управление генератором шума (ГШ);
• добавить работу с датчиками температуры.
| Наименование | Тип устройства, название программы |
| Анализатор цепей векторный | С1209, С2209, С4209, С1220, С2220, С4220, С1409, С2409, С4409, С1420, С2420, С4420 |
| Малошумящий усилитель | AMP-09-LSU, AMP-20-LSU |
| Генератор шума | NC346B, NC346C |
| Датчик температуры | Терморезистор |
| Расширитель USB-портов | Промышленный концентратор USB |
| Программное обеспечение анализатора | S2VNA, S4VNA, Программа для измерения коэффициента шума NF |
Таблица 2. Сравнение измерителя коэффициента шума и векторного анализатора цепей
|
Измеритель коэффициента шума (шумовой приемник) |
Векторный анализатор цепей (стандартный приемник) |
Комментарии |
|
Высокая чувствительность |
Низкая чувствительность |
Аппаратная часть NF: МШУ с переключаемыми ступенями усиления |
|
Возможность измерения мощности шума |
Возможность измерения мощности шума |
Соответствует |
|
Стабильный результат измерений мощности шума во времени |
Стабильный результат измерений мощности шума во времени |
Соответствует |
|
Линейная динамическая характеристика приемника |
Линейная динамическая характеристика приемника |
Соответствует |
|
Наличие преселектора |
Отсутствие преселектора |
Аппаратная часть NF: МШУ с банком фильтров Программная часть NF: математический аппарат вычисления коэффициента усиления разными способами |
|
Управление генератором шума |
Отсутствие управления генератором шума |
Аппаратная часть NF: МШУ с выходом для управления ГШ |
|
Метод Y-фактора |
Метод не реализован |
Программная часть NF: математический аппарат вычисления КШ |
|
Встроенные переключаемые аттенюаторы для регулировки усиления в приемном тракте |
Дополнительные внешние устройства |
Программная часть NF: учет параметров внешних пассивных устройств |
|
Возможность измерения температуры окружающей среды |
Отсутствие возможности измерения температуры окружающей среды |
Аппаратная часть NF: МШУ со входом для подключения датчика температуры |
Для реализации аппаратных задач разработан МШУ, структурная схема которого приведена на рис. 2. В зависимости от модели структура может незначительно отличаться.
Рис. 2. Структурная схема МШУ
Читать статью полностью...
