Три совета по совершенствованию измерений коэффициента шума

Три совета по совершенствованию измерений коэффициента шума

1 Ноября 2018

Уменьшение погрешности измерений коэффициента шума. Краткие рекомендации по применению.

Коэффициент шума (КШ), также известный как "шум-фактор", является ключевым показателем качества многих приемных устройств и радиотехнических систем. Он характеризует степень ухудшения отношения «сигнал/шум» при прохождении сигнала через исследуемое устройство (ИУ). В цифровых системах связи приемник с меньшим КШ будет обладать лучшей способностью выделять сигналы с малой амплитудой, а значит, будет иметь меньший коэффициент битовых ошибок (BER). Измерения КШ, как правило, требуется выполнять в лабораторных условиях в процессе разработки и отладки новых конструкций радиотехнических устройств, а также в условиях производства при контроле соответствия величины производственного запаса характеристик выпускаемой продукции требованиям технической документации. Погрешность измерений КШ является критически важным фактором, особенно когда нужно повысить эффективность и снизить издержки. Настоящие краткие рекомендации по применению содержат советы, которые помогут вам уменьшить погрешность, добиться высоких результатов и снизить стоимость измерений КШ усилителей, смесителей и преобразователей частот.

Совет 1: для ускорения вычислений используйте калькулятор погрешности измерений КШ

Расчет погрешности измерений является сложным и трудоемким процессом. К счастью, для облегчения и ускорения подобных расчетов разработаны калькуляторы погрешности. При вычислении погрешности измерений КШ, как правило, используют метод Y-фактора. Данный метод предполагает использование эталонного источника шума для подачи входного воздействия на ИУ. В качестве шумового приемника, измеряющего уровень шума на выходе ИУ, используется откалиброванный анализатор сигналов. Основной характеристикой эталонного источника шума является частотная зависимость избыточного коэффициента шума (ENR), который характеризует разность мощностей шума (шумовых температур) на выходе источника шума для двух его состояний: состояния «выключен» ("холодного") и состояния "включен" ("горячего").

Погрешность измерения ENR является важным фактором, влияющим на суммарную погрешность измерений КШ, и одной из входных величин для расчета с использованием калькулятора погрешности. Также в расчете участвуют другие составляющие погрешности измерений КШ, обусловленные следующими факторами: рассогласованием, линейностью коэффициента усиления (КУ) и собственным КШ анализатора.

В таблице 1 приведен пример оценок индивидуального вклада перечисленных факторов в величину суммарной погрешности измерений КШ малошумящего усилителя (МШУ) с диапазоном 6 ГГц с КШ 3 дБ, КУ 26 дБ и КСВН входа 1,5. Значения в таблице рассчитаны для эталонного источника шума, имеющего пределы погрешности ENR ± 0,087 дБ и КСВН выхода 1,05. В данном примере основными факторами, влияющими на суммарную погрешность измерений, являются погрешность измерений ENR и рассогласование. Их вклад оценивается как 88 % и 12 % от величины суммарной погрешности соответственно. Вклад оставшихся составляющих погрешности не превышает 1 %. После внесения оценки всех факторов суммарная погрешность измерений для данного примера составила ±0,112 дБ. Это означает, что измеренное значение КШ усилителя с действительным КШ 3 дБ может находиться в пределах от 2,888 до 3,112 дБ.

Влияющий фактор Вклад в суммарную погрешность измерений
Погрешность измерений ENR 88 %
Погрешность из-за рассогласования 12 %
Линейность КУ <1 %
Собственный КШ анализатора <1 %

Таблица 1. В данном случае основной вклад в суммарную погрешность измерений КШ МШУ с верхней рабочей частотой 6 ГГц вносят два фактора.

Самый быстрый способ расчета погрешности измерений - использование анализатора сигналов с встроенным калькулятором погрешности, обычно являющимся частью прикладного ПО для измерений КШ, построенного по принципу «измерения нажатием одной кнопки». Калькулятор погрешности выводит результаты расчета суммарной погрешности текущих измерений непосредственно на экране измерительного прибора, что гораздо удобнее, чем вводить исходные данные для расчета вручную в соответствующие поля веб-страницы или электронной таблицы на внешнем персональном компьютере. Например, зависимости в верхней части рисунка 1 показывают типовой результат измерений КШ и КУ МШУ в диапазоне частот от 2 до 18 ГГц. А в нижней части того же рисунка показан результат расчета суммарной погрешности измерений в табличном виде и в виде графической зависимости от величины одного из влияющих факторов: КШ ИУ, КУ ИУ или согласования с входом ИУ.


Рисунок 1. Приложение для измерений КШ серии X и встроенный калькулятор погрешности ускоряют и облегчают процесс выполнения измерений.

Совет 2: выбирайте источник шума с минимально возможным показателем погрешности

Очень важно выбрать для решения ваших измерительных задач источник шума с наименьшим показателем погрешности ENR, поскольку вклад данной составляющей в суммарную погрешность измерений КШ наибольший. Интеллектуальные источники шума серии SNS компании Keysight обеспечивают высокие характеристики и упрощают процесс настройки измерительного оборудования для выполнения измерений. При подключении к совместимому анализатору сигналов источники шума серии SNS автоматически передают хранящуюся на встроенном накопителе таблицу калибровочных коэффициентов в анализатор сигналов, а также осуществляют компенсацию температурного дрейфа.

Кроме того, источники шума серии SNS имеют малую погрешность ENR. При измерениях параметров ИУ, чувствительных к изменению импеданса нагрузки, различие импедансов источника шума в «холодном» и «горячем» состояниях может стать причиной значительной погрешности измерений КУ, и, как следствие, высокой погрешности измерений КШ. Источники шума серии SNS эффективно решают данную проблему за счет обеспечения разницы коэффициентов отражения между двумя рабочими состояниями менее 0,01.

В таблице 2 приведены значения пределов суммарной погрешности измерений, рассчитанные для обычного источника шума и интеллектуального источника серии SNS. В качестве ИУ в данном примере рассматривался МШУ с КШ 3 дБ, КУ 26 дБ и верхней рабочей частотой 6 ГГц. Пределы суммарной погрешности измерений при использовании источника шума серии SNS составляют ± 0,112 дБ, а при использовании обычного источника – ± 0,213 дБ. С меньшими показателями погрешности измерений источников серии SNS возможно добиться того, чтобы большее количество продукции отвечало заданным техническим требованиям при меньшей стоимости.

Источник шума Пределы погрешности калибровки источника шума по ENR, ± дБ КСВН источника шума Пределы погрешности измерений КШ ИУ, ± дБ
Интеллектуальный источник шума 0,087 1,05 0,112
Обычный источник шума 0,180 1,25 0,213

Таблица 2. При сравнении показателей суммарной погрешности измерений КШ установлено, что при использовании источников шума серии SNS можно добиться лучших результатов, чем при использовании обычных источников шума.

Совет 3: используйте предусилитель

При использовании анализатора сигналов в качестве составной части системы для измерений КШ мы рекомендуем использовать предусилитель для улучшения собственного КШ анализатора. Если ИУ имеет очень высокий КУ, оно может ввести анализатор сигналов в режим компрессии. При решении большинства измерительных задач, включая случаи, когда ИУ одновременно имеет малые КШ и КУ, предусилитель поможет уменьшить погрешность измерений.

Большинство анализаторов сигналов опционально могут комплектоваться встроенными предусилителями. Также существуют внешние предусилители, которые могут быть включены между выходом ИУ и входом анализатора сигналов.

Интеллектуальные предусилители, представляющие собой внешние МШУ с управлением по интерфейсу USB, дают еще больший выигрыш по показателю собственного КШ системы. При подключении к порту USB анализатора сигналов они также автоматически подгружают в анализатор таблицу калибровочных коэффициентов со встроенного накопителя. Такие предусилители обеспечивают коррекцию КУ с учетом температурного дрейфа и оптимизированы для выравнивания частотной характеристики анализатора сигналов в целях уменьшения погрешности измерений.


Рисунок 2. Включение интеллектуального предусилителя между ИУ и анализатором сигналов для улучшения собственного КШ анализатора. При подключении предусилитель автоматически подгружает в анализатор сигналов таблицу калибровочных коэффициентов по интерфейсу USB.

Выполняйте высокоточные измерения коэффициента шума с помощью анализаторов сигналов серии X

Каждый из вариантов, описанных выше, поможет вам уменьшить погрешность измерений КШ. Все они могут быть реализованы с использованием компактных измерительных систем на основе анализаторов сигналов серии X компании Keysight, встроенных или внешних предусилителей, а также внешних источников шума. Добавление специального приложения для измерений КШ (N9069C) серии X даст вам возможность проводить измерения посредством нажатия одной кнопки и при этом получать точные результаты во всем диапазоне рабочих частот анализатора.

Одно из предлагаемых решений - анализатор сигналов серии EXA, обеспечивающий наилучшие результаты измерений КШ наряду с простейшими настройкой и калибровкой, которые обычно имеются только в анализаторах среднего класса. В таблице, приведенной ниже, представлены диапазоны рабочих частот анализаторов сигналов серии EXA, соответствующие встраиваемые предусилители, а также совместимые интеллектуальные источники шума серии SNS. Также вы можете использовать внешние предусилители с интерфейсом USB, такие как U7227A, U7227C, U7227F, которые обеспечивают передачу таблиц калибровочных коэффициентов и коррекцию температурного дрейфа в автоматическом режиме.

Конфигурация анализатора сигналов N9010B серии EXA для снижения погрешности измерений КШ
Шаг 1. Выберите диапазон рабочих частот (обязательная опция)
Опции частотного диапазона (выберите одну) Опция Описание
503 от 10 Гц до 3,6 ГГц
507 от 10 Гц до 7,0 ГГц
513 от 10 Гц до 13,6 ГГц
526 от 10 Гц до 26,5 ГГц
532 от 10 Гц до 32 ГГц
544 от 10 Гц до 44 ГГц
Шаг 2. Добавьте предусилитель
Опции предусилителей (выберите одну) P03 от 100 кГц до 3,6 ГГц
P07 от 100 кГц до 7,0 ГГц
P13 от 100 кГц до 13,6 ГГц
P26 от 100 кГц до 26,5 ГГц
P32 от 100 кГц до 32 ГГц
P44 от 100 кГц до 44 ГГц
Шаг 3. Добавьте интеллектуальный источник шума
Модели (выберите одну) N4000A от 10 МГц до 18 ГГц, диапазон ENR: 4,5–6,5 дБ
N4001A от 10 МГц до 18 ГГц, диапазон ENR: 14–16 дБ
N4002A от 10 МГц до 12 ГГц, диапазон ENR: 12–16 дБ
от 12 МГц до 26,5 ГГц, диапазон ENR: 14–17 дБ
Товаров в сравнении: 0