Измеритель коэффициента шума

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Радиотехнический факультет

Кафедра радиотехнических систем (РТС)

Пояснительная записка к дипломному проекту

Измеритель коэффициента шума

Реферат Дипломный проект 48 рис., 19 табл., 8 источников, 6 л. графического материала.

ИЗМЕРИТЕЛЬ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА, КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА, КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ, БЛОК ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА, СМЕСИТЕЛЬ, ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ.

Объектом проектирования является блок цифровой обработки сигнала ПЧ (ЦОС ПЧ), входящий в измеритель коэффициента шума (ИКШ).

Цель данного проекта — разработка блока цифровой обработки сигнала ПЧ (ЦОС ПЧ), улучшение технических характеристик ИКШ за счет выбора новой элементной базы.

В результате проектирования проведен анализ методов измерения КШ, анализ принципов построения современных ИКШ, выработана структурная схема измерителя, а также схема электрическая принципиальная блока ЦОС ПЧ, входящего в ИКШ.

Область применения — ИКШ предназначен для измерения коэффициента шума и коэффициента передачи приемно-усилительных устройств в частотном диапазоне от 10 МГц до 4 ГГц; блок ЦОС ПЧ предназначен для оцифровки, фильтрации и детектирования сигнала ПЧ.

Дипломный проект выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word 2003 с использованием программы СВЧ — моделирования Microwave Office 2004.

Задание на дипломный проект студенту гр. 121−2 Брюхову Дмитрию Алексеевичу оканчивающему университет по специальности ''Радиоэлектронные системы''

1. Тема дипломного проекта: Измеритель коэффициента шума

2. Срок сдачи проекта на кафедру ''8'' декабря 2006 г.

3. Назначение и область применения устройства: Измеритель предназначен для измерения коэффициента шума и коэффициента передачи приемно-усилительных устройств в частотном диапазоне от 10 МГц до 4 ГГц.

4. Источники разработки:

1. К. И. Алмазов — Долженко, «Коэффициент шума и его измерение на СВЧ», «Научный мир» 2000 г.

2. ГОСТ 25 489–88. Измерители коэффициента шума. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Изд. стандартов. 1989 г.

5. Стадии разработки по ЕСКД: эскизный проект (ГОСТ 2.119−73)

6. Состав проектируемой системы и уровень разработки входящих в нее блоков

6.1. В состав проектируемой системы входят: блок генератора шума, блок радиоприемного тракта, блок цифровой обработки сигнала, блок сбора данных и управления, блок синтезаторов частот.

6.2. Разработке на уровне структурных схем подлежит: весь прибор.

6.3. Разработке на уровне функциональных схем подлежит: весь прибор.

6.4. Разработке на уровне принципиальных схем подлежит: блок цифровой обработки сигнала.

7. Технические требования

7.1. Основные показатели назначения:

7.2. Требования к конструктивному исполнению

7.2.1. Общие требования в соответствии с ГОСТ 22 261–94.

7.2.2. Конструкторской проработке в проекте подлежит: общий вид и габаритный чертеж прибора.

7.3. Условия эксплуатации

7.3.1. Общие требования в соответствии с аппаратурой 3 группы по ГОСТ 22 261–94.

7.4. Требования к надежности

7.4.1. Общие требования:

Средняя наработка на отказ — не менее 10 000 часов.

7.4.2. Проработке в проекте подлежит:

Расчет и обеспечение требований по надежности устройств, разрабатываемых на уровне принципиальных схем.

8. Требования эргономики, техники безопасности и технической эстетики

8.1. Общие требования в соответствии с ГОСТ 22 261–94.

9. Требования к организационно — экономической части работы

9.1. Общие требования в соответствии с ГОСТ 2.119−73.

9.2. Разработке в проекте подлежат:

Технико-экономическое обоснование разработки.

10. Требования к патентной чистоте и конкурентоспособности — не предъявляются.

11. Требования к макетированию, моделированию

11.1. Общие требования в соответствии со стадией проектирования

11.2. Разработке в проекте подлежит: выбор элементной базы блока цифровой обработки сигнала и расчет линий передачи

12. Подлежит разработке следующая документация

А. Чертежи

1. Измеритель коэффициента шума. Схема электрическая структурная — 1 лист.

2. Измеритель коэффициента шума. Схема электрическая функциональная — 1 лист.

3. Блок цифровой обработки сигнала. Схема электрическая принципиальная — 1 лист.

Б. Демонстрационные иллюстрации

Основы метода измерения коэффициента шума, математические соотношения — 1 лист.

В. Пояснительная записка

В пояснительной записке должны быть приведены все материалы проектирования в соответствии с заданием и методическими указаниями.

Список условных сокращений ГШ — генератор шума;

ГШТ — газоразрядные шумовые трубки;

ИКШ — измеритель коэффициента шума;

ИОШТ — избыточная относительная шумовая температура;

ИС — интегральная схема;

КП — коэффициент передачи;

КСВН — коэффициент стоячей волны по напряжению;

КШ — коэффициент шума;

ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема;

ППУ — приемно-усилительные устройства;

ПСДУ — плата сбора данных и управления;

РПТ — (блок) радиоприемного тракта;

СПМШ — спектральная плотность мощности шума;

УВХ — устройство выборки-хранения;

ЦОС ПЧ — (блок) цифровой обработки сигнала ПЧ;

Dither — шумовой сигнал;

DSP — цифровой сигнальный процессор;

ENOB — эффективная разрядность;

LVDS — метод передачи цифровых данных дифференциальными сигналами;

SFDR — динамический диапазон, свободный от гармоник;

SINAD — показатель сигнал/шум/искажения;

SNR — отношение сигнал/шум.

1.

Введение

Шумы представляют собой важную проблему в науке и технике, поскольку они определяют нижние пределы, как в отношении точности любых измерений, так и в отношении величины сигналов, которые могут быть обработаны средствами электроники.

Отношение сигнал-шум (с/ш) радиоприемных систем — это очень важный критерий в системах электросвязи. Современные приемные устройства радиолокационных станций, аппаратуры связи, навигации должны обнаруживать и обрабатывать слабые радиосигналы. К факторам, которые ограничивают их чувствительность, относятся собственные шумы приемно-усилительных устройств. Для характеристики уровня собственных шумов приемных устройств и отдельных узлов и блоков применяются параметры: коэффициент шума (КШ) и температура шума входа устройства.

Высокое отношение сигнал шум на выходе приемника означает высокое качество связи аналоговых систем, низкую вероятность ошибки цифровых систем. Достижение этих характеристик путем увеличения мощности передатчика или коэффициента усиления антенны (то есть размеров антенны) не всегда возможно из-за технических и экономических ограничений, поэтому уменьшение генерации шума приемными устройствами часто является единственным путем увеличения помехозащищенности систем связи.

Целью данного проекта является разработка блока цифровой обработки сигнала ПЧ, а также улучшение технических характеристик измерителя коэффициента шума за счет выбора новой элементной базы.

2. Шумовые параметры четырехполюсников Коэффициент шума приемного устройства или любого линейного четырехполюсника определяется соотношением:

(2.1)

где Рс. вх, Рш. вх, Рс. вых, Рш. вых — номинальные мощности входного сигнала и шума, сигнала и шума на выходе четырехполюсника при нормальной температуре шума входной нагрузки T = 293 K.

Как следует из (2.1), коэффициент шума показывает, во сколько раз отношение сигнала к шуму на выходе четырехполюсника уменьшается по сравнению с аналогичным отношением на его входе.

Введя обозначение (коэффициент усиления по мощности), (2.1) можно записать как

(2.2)

Коэффициент усиления реальных четырехполюсников имеет частотную зависимость, потому и коэффициент шума в общем случае также зависит от частоты и полосы частот, в которой производятся измерения. Для характеристики шумовых свойств используется дифференциальный коэффициент шума

(2.3)

Под дифференциальным коэффициентом шума понимается величина, показывающая, во сколько раз уменьшается отношение мощностей сигнала и шума в бесконечно малой полосе частот при прохождении полезного сигнала через четырехполюсник.

При измерениях обычно определяют интегральный (усредненный) в полосе частот коэффициент шума, который показывает, во сколько раз уменьшается отношение полной мощности сигнала к полной мощности шума при прохождении через четырехполюсник полезного сигнала от стандартного источника:

(2.4)

где — мощность шумов на выходе четырехполюсника при температуре стандартного источника;

— полоса пропускания.

Если учесть, что полный шумовой сигнал на выходе содержит составляющие за счет шумов источника и собственных шумов четырехполюсника, уравнение для интегрального коэффициента шума можно записать в следующем виде:

(2.5)

Если составляющие шума линейного четырехполюсника являются белым шумом, то дифференциальный и интегральный коэффициенты шума численно равны независимо от амплитудно-частотных характеристик исследуемых устройств и называются просто коэффициентом шума.

Для характеристики шумовых свойств вместо коэффициента шума удобнее пользоваться понятием эффективной температуры шума входа четырехполюсника.

Температура шума активного четырехполюсника может определятся по формуле:

(2.6)

где F — коэффициент шума активного линейного четырехполюсника.

Однако малые значения температуры шума, рассчитанные по значению коэффициента шума, могут отличаться от своего действительного значения. Это обусловлено тем, что при снижении уровня измеряемого коэффициента шума относительная погрешность определения эффективной температуры шума по (2.6) значительно превышает погрешность измерения той величины F, которая входит в формулу. Для снижения погрешности оценки малых значений эффективной температуры шума необходимо производить ее непосредственное измерение.

Различают дифференциальную и интегральную температуры шума на выходе четырехполюсников. Зависимость между этими температурами шума на входе четырехполюсника аналогична зависимости между дифференциальным и интегральным коэффициентами шума. Если собственные шумы четырехполюсника имеют характер белого шума, то дифференциальная и интегральная температуры совпадают, При этом температура шума именуется «эффективной температурой шума на входе четырехполюсника».

Измерение шумовых параметров четырехполюсников — коэффициента или температуры шума — сводится к измерению соотношения мощностей шумовых сигналов на выходе исследуемого устройства при определенным образом изменяемом уровне мощности шумового сигнала на его входе.

Методы измерения различаются между собой способами выделения и определения отношения мощностей сигналов на выходе и создания известного с определенной точностью изменения уровней мощностей сигналов на входе приемно-усилительных устройств.

3. Методы измерения шумовых параметров четырехполюсников

3.1 Метод двух отсчетов Наиболее простым и распространенным в повседневной практике методом измерения шумовых параметров приемно-усилительных устройств (ПУУ) является метод двух отсчетов. Метод состоит в поочередной подаче на вход измеряемого устройства шумовых сигналов с известными значениями температуры шума Т1 и Т2 (Т1 < Т2) и измерении уровня сигналов на его выходе.

Структурная схема метода измерения представлена на рисунке 3.1. В качестве источников шумовых сигналов могут использоваться любые генераторы шума с известной температурой шума.

При поочередной подаче на вход измеряемого ПУУ шумовых сигналов показания измерителя мощности будут пропорциональными:

(3.1)

(3.2)

где Fу — коэффициент шума измеряемого ППУ при подаче сигнала с температурой шума Т1;

k — коэффициент пропорциональности.

Решив совместно (3.1) и (3.2), получим

или

(3.3)

где — относительное изменение уровня мощности сигнала на выходе линейной части измеряемого ППУ при двух различных значениях температуры шума на его входе.

Рисунок 3.1 — Структурная схема измерения шумовых параметров четырехполюсников методом двух отсчетов Полученное в результате измерения значение Fу (Ту) включает в себя кроме значения температуры шума входа измеряемого устройства также

составляющую за счет собственных шумов измерителя мощности:

(3.4)

где Тизм — температура шума входа измерителя мощности;

G — коэффициент усиления измеряемого устройства по мощности.

При измерениях может использоваться один генератор шума, если имеется возможность изменения его температуры шума, например газоразрядный генератор шума во включенном и выключенном состояниях. Если имеется возможность плавного изменения температуры шума, например при использовании диодного генератора шума или газоразрядного генератора шума с аттенюатором на выходе, то изменением Т2 можно достигнуть n = 2 и отсчитать значение Fy (Ty) по шкале тока диода или аттенюатора. Метод двух отсчетов при n = 2 получил название метода удвоения.

При выборе числа n исходят из того, что при слишком малом значении отношения уровней мощности сигналов (n < 2) снижается точность отсчета, а при слишком большом может возникнуть дополнительная погрешность за счет нелинейности преобразования сигнала в измерителе мощности.

Разновидностью метода двух отсчетов, исключающей трудно учитываемую составляющую погрешности измерения за счет собственных шумов измерителя мощности, является метод аттенюатора (постоянного уровня). Он наиболее пригоден для измерения шумовых характеристик усилительных устройств. Структурная схема метода измерения приведена на рисунке 3.2.

В отличие от рассмотренного выше метода в данном методе изменение отношения сигналов производится аттенюатором на выходе измеряемого усилителя в тракте СВЧ или промежуточной частоты.

При подаче на вход измеряемого усилителя сигнала от градуированного генератора с низким уровнем температуры шума (Т1) отмечается показание измерителя мощности

(3.5)

где г1 — затухание градуированного аттенюатора при подключенном генераторе шума с Т1;

б0 — показание выходного прибора, обусловленное собственными шумами измерителя мощности.

Рисунок 3.2 — Структурная схема измерения шумовых параметров четырехполюсников методом аттенюатора При включении на вход измеряемого усилителя генератора с температурой шума Т2 затухание аттенюатора (г2) устанавливается таким, при котором показание измерителя мощности примет значение б2 = б1.

Это соответствует равенству Отсюда

(3.6)

где — отношение затуханий аттенюатора.

Метод имеет два варианта в зависимости от способа изменения отношения сигналов. При использовании аттенюатора в тракте промежуточной частоты, как и при методе двух отсчетов, необходимо учитывать поправку за счет собственных шумов измерителя мощности. В этом случае температура шума измеряемого усилителя определяется по (3.4).

Использование аттенюатора в СВЧ тракте позволяет производить изменения отношения сигналов непосредственно на выходе измеряемого усилителя. При этом необходимо учитывать поправку за счет шумов, вносимых аттенюатором. Температура шума на входе измеряемого усилителя

(3.7)

где G — коэффициент усиления измеряемого усилителя.

Оба метода (двух отсчетов и аттенюатора) имеют одинаковую зависимость погрешности измерения температуры шума от параметров измерительной аппаратуры.

Основными составляющими погрешностей методов являются:

· погрешность за счет нелинейности амплитудной характеристики измеряемого устройства и преобразования сигнала в измерителе мощности (для метода двух отсчетов);

· погрешность градуировки температуры шума генераторов;

· погрешность индикации отношения сигналов;

· погрешность за счет рассогласования генератора шума и измерителя мощности.

Основными недостатками рассмотренных методов являются:

· низкая чувствительность, в результате чего при измерениях больших значений температуры шума возрастает погрешность измерений;

· трудность настройки измеряемого устройства в большом

динамическом диапазоне (при настройке на минимум коэффициента шума);

· низкая производительность труда;

· невозможность проведения измерений шумовых параметров ПУУ

без разборки аппаратуры, в состав которой оно входит.

Однако, несмотря на указанные недостатки, приведенные методы относительно просты, не требуют для своей реализации дорогостоящей измерительной аппаратуры и могут использоваться там, где не требуется высокая производительность труда и не измеряются шумовые параметры в большом динамическом диапазоне.

Для исключения погрешностей за счет нестабильности усиления измерительного тракта и нелинейности преобразования сигналов при измерениях шумовых параметров четырехполюсников может использоваться метод опорного сигнала. Структурная схема метода представлена на рисунке 3.3.

От измерительного генератора, работающего в режиме непрерывной генерации, через направленный ответвитель на исследуемое устройство подается опорный сигнал. В тракте промежуточной частоты измерительного приемника имеются ограничитель и частотный детектор. Второй детектор приемника по отношению к шумовому сигналу работает в смесительном режиме. Гетеродинным сигналом является опорный сигнал от измерительного генератора. При выключенном генераторе шума (ГШ) отсчитывается показание выходного индикатора приемника. Включается генератор шума, изменением ослабления аттенюатора измерительного генератора увеличивается уровень опорного сигнала до получения прежнего показания индикатора. Разность двух отсчетов аттенюатора дает отношение сигналов на выходе четырехполюсника.

Рисунок 3.3 — Структурная схема измерения шумовых параметров четырехполюсников методом опорного сигнала Основным недостатком метода является значительная составляющая погрешности измерения за счет собственных шумов измерительного приемника. Кроме того, метод не имеет преимуществ по сравнению с другими методами в части высокочастотной составляющей погрешности измерений.

3.2 Модуляционный метод измерения шумовых параметров четырехполюсников Известно много различных вариантов модуляционного метода. Общим для них является сравнение мощности шумов на выходе линейной части испытуемого устройства при включенной и выключенной мерах температуры шума [спектральной плотности мощности шума (СПМШ)] на входе четырехполюсника. Для выделения слабых шумовых сигналов на выходе измеряемого устройства используется модуляционный метод выделения и измерения сигналов.

Рисунок 3.4 — Упрощенная структурная схема Метод обладает достаточно высокой чувствительностью, что позволяет использовать при измерениях относительно маломощные меры шума, а также включать их в измерительные тракты через направленные ответвители. Последнее в свою очередь делает возможным:

· производить измерения коэффициента шума при работе приемного устройства на реальную нагрузку (антенну);

· осуществлять измерения шумовых параметров без нарушения функционирования приемного устройства;

· исключать дополнительную погрешность измерения, обусловленную изменением выходного сопротивления генератора шума при его работе в режиме модуляции.

На рисунке 3.4 приведена упрощенная структурная схема метода измерения.

Принцип измерения иллюстрируется на рисунке 3.5, на котором показан характер изменения во времени относительных температур шума, приведенных к входу измеряемого устройства.

Рисунок 3.5 — Временная диаграмма изменения температуры шума на входе измеряемого четырехполюсника При модуляции генератора шума (включении и выключении) относительная температура шума, приведенная к входу измеряемого четырехполюсника, изменяется

от

Тгш/Т0 + Тч/Т0 + Тизм/Т0 или tгш+Fч+?

до Т0/Т0 + Тч/Т0 + Тизм/Т0 или Fч + ?,

где? = (Fизм — 1)/G;

Тгш — температура шума генератора;

Tгш — избыточная относительная температура шума генератора;

Тч — температура шума измеряемого четырехполюсника;

Fч — коэффициент шума четырехполюсника;

Fизм — коэффициент шума измерительного устройства;

Т0 — нормальная температура (293К).

Шумовой сигнал на выходе четырехполюсника промодулирован частотой модуляции генератора шума. Как видно из рисунка 3.5, глубина модуляции тем больше, чем меньше мощность шумов измеряемого четырехполюсника. Во всех вариантах модуляционного метода селективно выделяются низкочастотные составляющие частоты модуляции, пропорциональные tгш и tгш + Fч +? или Fч + ?. Одна из величин (tгш) фиксируется с помощью автоматического регулирования усиления (АРУ) усилителя измерительного устройства, а другая используется для определения коэффициента шума измеряемого четырехполюсника. Применение при этом узкополосных устройств (синхронных и частотных детекторов, фильтров и др.) позволяет избавиться от шумового фона и увеличить чувствительность к первой гармонике низкочастотной составляющей модулированных сигналов.

Известно большое число различных вариантов модуляционного метода, удовлетворяющих многим требованиям, предъявляемым к измерениям шумовых параметров четырехполюсников. В зависимости от требуемой точности и пределов измерения, особенностей исследуемых устройств может быть технически реализован тот или иной вариант метода.

4. Средства измерения коэффициента шума четырехполюсников

4.1 Общие сведения Для измерения коэффициента шума и коэффициента передачи приемно-усилительных устройств СВЧ диапазона выпускается относительно большое число типов приборов. Эта измерительная аппаратура различается по техническим характеристикам (пределам измерений, диапазонам рабочих частот) и номенклатуре исследуемых устройств. Весь комплекс приборов позволяет решать многие измерительные задачи, возникающие при оценке шумовых свойств как аппаратуры в целом, так и отдельных ее узлов при их проектировании, производстве и эксплуатации. С помощью подобных приборов могут производиться измерения:

· коэффициента шума и коэффициента передачи приемных устройств;

· коэффициента шума и коэффициента передачи СВЧ усилителей, интегральных микросхем и транзисторов по точкам и в панораме;

· коэффициента шума и коэффициента преобразования смесителей;

· градуировка рабочих генераторов шума.

Измеритель коэффициента шума, как правило, представляет собой супергетеродинный приемник с высокоточным детектором. ИКШ обеспечивает управление генератором шума и вывод результатов измерения на индикатор. Вычисление коэффициента шума производится автоматически по модуляционному методу.

4.2 Измерение коэффициента шума и коэффициента передачи приемно-усилительных устройств СВЧ диапазона Измерение выполняется в два этапа: вначале проводится калибровка измерительного тракта с подключением генератора шума к входу измерителя (рисунок 4.1), при которой измеряется собственный коэффициент шума измерителя во всем частотном диапазоне при двух различных температурах источника шума (включенное и выключенное состояние ГШ).

Рисунок 4.1 — Структурная схема калибровки измерительного тракта При этом напряжение на входе АЦП изменяется от величины

(4.1)

до величины

(4.2)

где — коэффициент передачи по мощности измерительной схемы от входа ИКШ до выхода детектора;

— приведенная к входу температура шума ИКШ;

— коэффициент пропорциональности.

По сигналам б1 и в1 происходит определение коэффициента шума ИКШ

(4.3)

где — избыточная относительная температура генератора шума.

Далее присоединяется исследуемое устройство между выходом ГШ и входом измерителя и проводится измерение его характеристик (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 — Структурная схема измерения КШ и КП четырехполюсников На этапе измерения (рисунок 4.2) в зависимости от того выключен генератор шума или включен, напряжение на входе АЦП изменяется от величины

(4.4)

до величины

(4.5)

После этого происходит определение искомых параметров и в соответствии с формулами:

(4.6)

(4.7)

В случае если коэффициент усиления приемного устройства (ПУ) достаточно высок, так что можно пренебречь шумами ИКШ, то измерения производят без калибровки, сразу определяя коэффициент шума ПУ, который равен

(4.8)

где б2 и в2 — величины, определяемые по (4.4) и (4.5).

Одним из основных качеств современных ИКШ является высокая автоматизация процесса измерения на базе вычислительной техники. Основную роль в автоматизации процесса измерения, управления работой и обработки результатов в ИКШ выполняют микропроцессоры и ЭВМ. Применение в приборах микропроцессоров позволило за счет замены аппаратных средств программными принципиально изменить процесс измерения, расширить функциональные возможности ИКШ, автоматизировать ряд трудоемких операций по проведению подготовительных настроек, обработке результатов измерений, а также упростить электрические схемы. Расширение функциональных возможностей ИКШ выразилось в том, что одним прибором, удается реализовать все измерительные задачи.

Микропроцессор в приборе выполняет следующие основные функции:

· производит автоматический выбор пределов измерений;

· выполняет автоматическое управление процессом измерения (устанавливает необходимый для измерения уровень входных сигналов, управляет работой отдельных узлов измерительного тракта и др.);

· автоматически перестраивает встроенный в прибор гетеродин либо в заданном оператором диапазоне частот, либо на частоту, на которой должны производиться измерения;

· производит автоматически измерение собственных коэффициентов шума и передачи ИКШ и вносит коррекцию в результаты измерений шумовых и передаточных характеристик четырехполюсников;

· производит математическую обработку результатов измерений (усредняя их с целью уменьшения флуктуационной погрешности).

Наряду с ИКШ часто применяются анализаторы спектра, измерение коэффициента шума в этом случае осуществляют по методу опорного генератора или по методу двух отсчетов. Вычисление шумовых параметров производится вручную, но некоторые современные анализаторы спектра могут вычислять КШ автоматически модуляционным методом. Наряду с таким достоинством, как многофункциональность, анализаторы обладают несколькими недостатками, такими как:

· низкая чувствительность, для повышения которой необходим малошумящий усилитель;

· погрешность измерения сильно превышает погрешность ИКШ;

· низкая скорость и относительно высокая трудоемкость проведения измерений по сравнению с ИКШ.

В качестве простейшего прибора для измерения шумовых параметров может быть использован ваттметр, как основной прибор измерения уровня сигнала. При этом по методу двух отсчетов рассчитывать коэффициент шума нужно вручную или при наличии соответствующего интерфейса с помощью ЭВМ. Так как измеритель мощности является широкополосным устройством, то в результате расчета будут определены интегральные шумовые параметры. Для определения дифференциальных параметров на выходе измеряемого устройства надо поставить узкополосный фильтр. Такой фильтр обычно является не перестраиваемым, поэтому измерения производятся на фиксированной частоте. Наиболее часто ваттметры используются для измерения коэффициента шума приемников, имеющих фиксированную промежуточную частоту. Низкая чувствительность ваттметров налагает дополнительное требование на измеряемые приемники, которые должны обладать достаточным коэффициентом усиления. Дополнительный малошумящий усилитель, включенный на входе измерителя мощности, повысит чувствительность, но может внести погрешность из-за нестабильности своих параметров.

4.3 Генераторы шума

4.3.1 Общие сведения В качестве градуированных по температуре шума или спектральной плотности мощности шумов источников сигналов при измерениях шумовых параметров приемно-усилительных устройств, СВЧ интегральных микросхем, транзисторов и пр. используется значительная номенклатура генераторов шума. Физическая природа возникновения флуктуации электрического тока или напряжения весьма разнообразна. Она может заключаться в тепловом движении электронов (тепловой шум), дрейфе носителей тока (дробовой эффект), флуктуациях проводимости (избыточный шум) и др. В качестве первичных источников шума в задающих генераторах используются различные устройства. Классификация шумовых приборов приведена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 — Классификация шумовых приборов приведена

4.3.2 Газоразрядные генераторы шума Широкое применение в сантиметровом диапазоне волн в качестве первичного источника шума нашли газоразрядные шумовые трубки с положительным столбом. Газоразрядные шумовые трубки (ГШТ) имеют высокую равномерность спектральной плотности мощности шума в широкой полосе частот, стабильный и относительно высокий уровень мощности, просты в эксплуатации, устойчивы к жестким воздействиям внешней среды и обладают достаточно высокой эксплуатационной надежностью.

Газоразрядные шумовые трубки представляют собой стеклянную трубку, наполненную инертным газом (аргоном или неоном) до давления от сотен до тысяч Паскалей. На одном конце трубки расположен катод, на противоположном — анод. Свойство газоразрядных трубок генерировать шумы обусловлено колебаниями электронов в плазме. Для практического использования шумового излучения положительного столба ГШТ помещают в специальные генераторные секции. В зависимости от диапазона частот и типа трубки могут быть использованы генераторные секции, выполненные на волноводе, коаксиальной или полосковой линии.

Волноводные шумовые генераторы представляют собой отрезок волновода, в центре широкой стенки которого под малым углом (7 — 15°) помещается ГШТ. Наклонное положение трубки в волноводе обеспечивает при разряде равномерное внесение потерь на достаточной длине линии, благодаря чему достигается удовлетворительное согласование ГШТ с линией передачи в широком диапазоне частот. Полосковые генераторы шума представляют собой симметричную полосковую линию вдоль оси которой помещается газоразрядная шумовая трубка.

Основными параметрами, характеризующими шумовые газоразрядные генераторы, являются:

· рабочий диапазон частот;

· температура шума (относительная температура шума) или спектральная плотность мощности шума;

· КСВН шумового генератора в рабочем режиме («горячий» прибор) и в выключенном состоянии («холодный» прибор);

· потери, вносимые в тракт генератором шума в выключенном состоянии;

· анодный ток ГШТ;

· погрешность градуировки СПМШ генератора шума.

Интенсивность излучения ГШТ определяется главным образом электронной температурой плазмы. При помещении ГШТ в волноводную или коаксиальную генераторную секцию интенсивность шумового излучения генератора шума становится меньше на значение потерь в генераторной секции. Потери, вносимые генератором шума в тракт, в основном определяются потерями в стенке трубки, линии передачи и в присоединительных элементах.

Между температурой шума генератора, электронной температурой плазмы, потерями, вносимыми в тракт включенным и выключенным генераторами, имеется связь, которая может быть выражена следующим соотношением:

(4.9)

Как видно из (4.9), температура шума генератора и ее стабильность во многом определяются превышением потерь, вносимых в тракт в рабочем режиме, над потерями в выключенном состоянии. Поэтому при разработке генераторов шума или выборе прибора для измерения всегда стремятся к получению большого значения и малых .

Частотная зависимость затухания, вносимого плазмой в СВЧ линию передачи, и потерь в генераторной секции, не оказывает значительного влияния на частотную характеристику СПМШ генераторов. Больший вклад вносит зависимость анодных колебаний в ГШТ от частоты. Соответствующим выбором анодного тока трубки можно достигнуть значительного снижения этой составляющей частотной зависимости СПМШ генераторов.

Генераторы шума на ГШТ обладают довольно высокой временной стабильностью. Значения шумовой температуры отдельных ГШТ отличаются друг от друга только в пределах случайной погрешности измерений. Газоразрядные шумовые трубки не имеют заметного старения от наработки. В связи с этим специально отобранные ГШТ используются в качестве меры СПМШ в эталонах и образцовой аппаратуре различных разрядов. Погрешности градуировки генераторов шума определяются в основном точностью измерительной аппаратуры.

4.3.3 Тепловые генераторы шума В основу построения тепловых генераторов шума положен принцип излучения электромагнитной энергии нагретым «черным» телом. Основным элементом таких генераторов является согласованная нагрузка, физическая температура которой определяет спектральную плотность мощности шумового излучения:

(4.10)

Уравнение (4.10) справедливо в области температур и частот, в которой выполняется соотношение:

(4.11)

где h — постоянная Планка (6,62 • 10−34 Дж/с);

Т — температура источника шумового излучения, К;

K — постоянная Больцмана (1,38−10−23 Дж/град);

f — частота радиоизлучения, Гц.

При невыполнении (4.11) спектральная плотность мощности излучения «черного» тела определяется законом Планка:

(4.12)

Применение при расчетах соотношения (4.12) является сложным.

Известно, что существует с достаточной для расчета точностью (примерно 1%) линейная зависимость между физической температурой тела и спектральной плотностью шумового излучения вплоть до температуры жидкого гелия (4 К) и частот длинноволновой части миллиметровых волн. В этом случае условием выполнения соотношения (4.10) является соотношение:

.

Тепловые генераторы применяются при создании эталонных и образцовых источников шума для передачи единицы спектральной плотности мощности шумового радиоизлучения рабочим прибором, а также при измерениях шумовых параметров малошумящих устройств.

Тепловые генераторы шума классифицируются:

· низкотемпературные (НГШ);

· высокотемпературные (ВГШ).

Низкотемпературные генераторы шума НГШ в общем случае состоят из однородной линии передачи, нагруженной на согласованную нагрузку и помещенной в криостат с жидким охладителем. В качестве охладителей используются: жидкий азот, гелий и водород.

Для уменьшения притока тепла к охладителю через поперечное сечение линии передачи последние часто выполняются в виде коаксиальной линии с минимально тонкими стенками проводников. По сравнению с волноводными трактами, особенно больших сечений, размеры коаксиальной линии могут быть значительно меньше. Связь с волноводным трактом в этом случае осуществляется с помощью волноводно-коаксиального перехода.

Внешний и внутренний проводники коаксиальной линии выполняются из нержавеющей стали, что обусловлено ее весьма низкой теплопроводностью. Токонесущие поверхности проводников покрываются тонким слоем металла с высокой электропроводностью (серебро, золото).

В качестве согласованных нагрузок в генераторах используются резисторы или объемные коаксиальные нагрузки, выполненные из поглощающего материала. Для согласования нагрузки с трактом внутренняя поверхность внешнего проводника в нижней части, коаксиальной линии имеет специальную форму.

Особенностью эксплуатации низкотемпературных генераторов шума является то, что уровни охлаждающих жидкостей с течением времени непрерывно снижаются, а это приводит к изменению температуры вдоль нагрузки и линии передачи, а также вносимых в линию потерь. В каждой конструкции генератора применяются различные технические решения для стабилизации во времени температуры шума.

Полагая, что распределение температуры вдоль нагрузки равномерно и она имеет температуру охлаждающей жидкости и хорошо согласована с линией передачи (КСВН < 1.05), температуру шума на выходе генератора можно рассчитать по формуле:

(4.13)

где Тн — температура нагрузки;

б (х) — коэффициент затухания единицы длины секции;

x1 — расстояние от выхода генератора до нагрузки.

Распределение температуры вдоль выходного тракта измеряется с помощью термопары при нескольких уровнях охлаждающей жидкости (после заливки, при минимальном уровне). Коэффициент затухания отдельных секций и нестабильность потерь в разъемах определяются экспериментально и затем рассчитываются с учетом изменения температуры секций.

Основными составляющими погрешности определения номинальной температуры шума на выходе генератора являются:

· погрешность, вызванная неточным учетом неравномерности охлаждения нагрузки;

· погрешность за счет неточности определения потерь в линии передачи и нестабильности потерь в разъемах;

· погрешность, вызванная неопределенностью распределения температуры.

Высокотемпературные генераторы шума Основу конструкции подобных генераторов составляет согласованная нагрузка, нагретая до относительно высокой температуры. Для хорошего согласования нагрузка выполняется в виде объемного и пленочного поглотителя. Непосредственно на волноводе с нагрузкой размещен нагреватель в виде нагревательных спиралей. За счет различной плотности намотки спирали вдоль волновода достигается необходимая равномерность распределения температуры вдоль поглотителя.

Волновод с нагревателем помещен в цилиндрический тепловой экран. Пространство между кожухом генератора и экраном, заполнено изолирующим материалом. В конструкции поглотителя размещены термопары для измерения и автоматического регулирования постоянства температуры.

При нагреве согласованной нагрузки она создает шумовое излучение. Спектральная плотность мощности шума такого генератора при одинаковой температуре вдоль поглотителя и отсутствии потерь в волноводе от поглотителя до выхода прямо пропорциональна абсолютной температуре поглотителя. Так как данные условия трудно выполнимы, аттестация высокотемпературных генераторов шума, так же как и низкотемпературных, производится экспериментально-теоретическим методом.

Основными составляющими погрешности ВГШ являются:

· погрешность аппаратуры для автоматической стабилизации температуры ();

· погрешность измерения температуры ();

· погрешность за счет неравномерности температуры вдоль поглотителя ();

· погрешность внесения поправки на потери в волноводе ().

Общая погрешность высокотемпературного генератора шума определяется суммой частных погрешностей, являющихся случайными и не зависящими друг от друга:

(4.14)

Анализ абсолютных значений составляющих погрешности показывает, что наибольший вклад в общую погрешность вносит составляющая, обусловленная учетом потерь в волноводе. Уменьшение этой погрешности возможно лишь при изготовлении волновода из неферромагнитного материала с проводимостью, большей проводимости никеля. Наиболее подходящим для этой цели является золото. Особенно большое значение этот фактор приобретает при повышении рабочей частоты, когда потери волновода значительно возрастают.

Высокотемпературные генераторы шума используются в широком диапазоне частот — вплоть до коротковолновой части миллиметровых волн.

4.3.4 Полупроводниковые генераторы шума Из генераторов шума на полупроводниковых приборах наибольшее применение в практике измерений находят генераторы на лавинно-пролетном диоде (ЛПД). Конструктивно они состоят из ЛПД и генераторной секции, служащей для согласования входного сопротивления p-n-перехода с сопротивлением нагрузки. Источником шумового излучения в ЛПД являются дробовые флуктуации тока насыщения диода и флуктуации коэффициента умножения лавины. Мощность, отдаваемая диодом в нагрузку, определяется выражением:

(4.15)

где — минимальная мощность шумов, отдаваемая диодом в согласованную с его внутренним сопротивлением нагрузку;

— коэффициент передачи мощности от p-n-перехода в нагрузку;

— спектральная плотность флуктуации тока диода;

— сопротивление p-n-перехода диода;

— сопротивление растекания диода.

Генераторы шума перекрывают дециметровый и сантиметровый диапазоны волн. Они могут работать как в режиме непрерывных колебаний, так и в режиме импульсной модуляции при длительности импульсов от нескольких долей микросекунд и более. Генераторы имеют некоторые технико-эксплуатационные характеристики (большую СПМШ и частоту модуляции, меньшую длительность модулированных импульсов, малые габариты и массу, простую схему электрического питания) лучшие, чем у генераторов на газоразрядных трубках, но уступают последним по стабильности СПМШ и ее частотной зависимости. В таблице 4.1 приведены основные технические характеристики нескольких типов генераторов шума на лавинно-пролетном диоде.

Таблица 4.1 — Основные технические характеристики ГШ на ЛПД

1 — NoiseCom; 2 — Agilent Technologies.

4.4 Результаты обзора и анализа современных ИКШ Выбор прототипов осуществлялся по следующим критериям:

· ИКШ должен отвечать современным требованиям и отображать

главные принципы построения современных приборов;

· ИКШ должен иметь перспективную конструкцию.

По этим критериям были отобраны измерители коэффициента шума серии NFA фирмы Agilent Technologies N8973A — N8975A. Приборы этой серии предназначены для измерения коэффициента и температуры шума радиоприемных устройств, коэффициента шума и передачи СВЧ усилителей, транзисторов и интегральных микросхем. Измерения коэффициента шума, коэффициента передачи и температуры шума и индикация результатов могут осуществляться как в диапазоне частот (в панораме), так и на фиксированных частотах (в точке).

Основные технические характеристики этих измерителей приведены в таблице 4.2

Таблица 4.2 — Основные технические характеристики ИКШ серии NFА

Таблица 4.3 — Технические особенности ИКШ серии NFА Структурная схема измерителя коэффициента шума N8973A представлена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 — Структурная схема ИКШ N8973A

В преобразователе частот (блок радиоприемного тракта) спектр входного сигнала сначала переносится вверх на первую промежуточную частоту 3921,4 МГц, а затем, вниз на вторую ПЧ равную 321,4 МГц. После фильтрации паразитных каналов преобразования сигнал снова попадает на смеситель, где его спектр переносится на третью ПЧ равную 21,4 МГц. Выбор входной частоты осуществляется перестройкой синтезированного ЖИГ — генератора, который служит первым гетеродином. После этого сигнал усиливается, фильтруется и попадает в блок цифровой обработки сигнала ПЧ (ЦОС ПЧ), где оцифровывается, фильтруется и детектируется. Оцифрованный сигнал проходит через цифровой ППФ с шириной полосы пропускания 4 МГц. С выхода цифрового фильтра сигнал поступает на процессор цифровой обработки сигналов.

Блок сбора данных и управления предназначен для управления работой блока ЦОС ПЧ, перестраиваемого гетеродина, модулятора ГШ и обмена данных с ЭВМ. ЭВМ обеспечивает отображение результатов измерений и выполняет ряд вычислительных функций.

5. Выбор и обоснование структурной схемы ИКШ

5.1 Структурная схема, описание работы При выборе схемы построения ИКШ будем опираться на результаты обзора современных измерителей коэффициента шума и технические требования, предъявляемые в задании на проектирование (диапазон рабочих частот, полоса пропускания фильтров ПЧ по уровню -3 дБ). Таким образом, структурная схема ИКШ будет выглядеть так, как показано на рисунке 1.1.

Рисунок 5.1 — Упрощенная структурная схема ИКШ ИКШ состоит из следующих основных блоков:

· преобразователь частоты;

· блок синтезаторов частот;

· ЦОС ПЧ (блок цифровой обработки сигнала ПЧ);

· блок управления;

· модулятор ГШ;

· блок питания.

Преобразователь частот осуществляет перенос спектра шумового сигнала из входного диапазона 0,01…4 ГГц на промежуточную частоту, в блоке производится необходимое усиление и фильтрация сигнала. В качестве сигналов гетеродинов используются сигналы из блока синтезаторов частот.

В блоке цифровой обработки (ЦОС ПЧ) сигнал оцифровывается, фильтруется и детектируется. Блок управления предназначен для управления работой блоков ЦОС ПЧ, синтезаторов частот, модулятора ГШ и обмена данных с ЭВМ. ЭВМ обеспечивает панорамное отображение результатов измерений и выполняет ряд вычислительных функций.

Модулятор ГШ используется для управления полупроводниковым генератором шума, а также для обеспечения питания ГШ стабилизированным напряжением. Укрупненная структурная схема ИКШ представлена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 — Укрупненная структурная схема ИКШ Для преобразователя частоты выбрана супергетеродинная схема с тройным преобразованием частоты, аналогичная примененной в преобразователе частот ИКШ N8973A фирмы Agilent. Первое преобразование выполняется при качании частоты первого гетеродина и фиксированной промежуточной частоты, во втором и третьем преобразовании — частоты гетеродинов и промежуточные частоты фиксированы. Первая промежуточная частота равна 9470 МГц, вторая 1070 МГц, третья 70 МГц. Все смесители работают на основной гармонике входного сигнала и гетеродина. Вид частотных преобразований смесителей представлен в таблице 5.1.

Таблица 5.1 — Частотные преобразования смесителей блока РПТ

При первом преобразовании частоты используется высокая промежуточная частота (F_пч1 = 9470 МГц), что позволяет подавить частоты зеркального канала (F_зерк = 18,95 ГГц — 26,94 ГГц) ФНЧ с фиксированной настройкой, без влияния на анализируемый входной сигнал (см. рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 — Первое преобразование частоты блока РПТ При втором преобразовании частоты, сигнал переносится на более низкую промежуточную частоту (F_пч2 = 1070 МГц). Частота зеркального канала (F_зерк2 = 7,33 ГГц) подавляется полосовым фильтром первой промежуточной частоты (см. рисунок 5.4).

Рисунок 5.4 — Второе преобразование частоты блока РПТ При третьем преобразовании частоты, сигнал переносится на третью промежуточную частоту (F_пч3 = 70 МГц). Частота зеркального канала (F_зерк3= 930 МГц) подавляется полосовым фильтром второй промежуточной частоты (см. рисунок 5.5).

Рисунок 5.5 — Третье преобразование частоты блока РПТ Функциональная схема преобразователя частоты (блок радиоприемного тракта) представлена на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 — Функциональная схема преобразователя частоты (блок РПТ) Шумовой сигнал из диапазона входных частот 10 — 4000 МГц поступает на входной управляемый аттенюатор. Входной аттенюатор предназначен для регулирования уровня мощности входного сигнала. Ослабление аттенюатора регулируется в диапазоне 0 дБ — 60 дБ с шагом 20 дБ. Усиленный малошумящим усилителем сигнал переносится вверх на частоту МГц. С помощью входного ФНЧ осуществляется подавление частот выше 5 ГГц, которые могут ввести усилители преобразователя в насыщение. На частоте сигнал усиливается и его спектр переносится вниз на частоту МГц. Полосно-пропускающий фильтр, расположенный перед вторым смесителем подавляет паразитные каналы второго преобразования. Третий смеситель осуществляет частотное преобразование на третью промежуточную частоту МГц. На частоте сигнал усиливается, проходит через набор переключаемых полосно-пропускающих фильтров, определяющих полосу измерения, и поступает в блок цифровой обработки, где оцифровывается, фильтруется и детектируется. На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового сигнала, которое затем обрабатывается арифметически цифровым сигнальным процессором (DSP).

5.2 Выбор элементной базы блока РПТ-04, синтезатора частот и гетеродинов Результирующий коэффициент шума преобразователя частоты определяет собственный коэффициент шума ИКШ и не должен превышать требуемый в задании. По техническому заданию требуется обеспечить собственный коэффициент шума измерителя — не более 8 дБ. Выбор элементной базы блока РПТ-04 начнем с активных элементов.

К техническим характеристикам первого смесителя предъявляются особенно жесткие требования, так как:

· первые каскады цепи очень сильно влияют на коэффициент шума всей цепи в целом, следовательно, нужно подобрать смеситель с минимально возможными вносимыми потерями и минимально возможным значением коэффициента шума;

· требуется выбрать смеситель с достаточно хорошим подавлением комбинационных составляющих.

Что же касается второго и третьего смесителя, то к ним предъявляются менее жесткие требования. При выборе второго и третьего смесителей важно учесть вносимые потери, а также обратить внимание на их цену и доступность.

К техническим характеристикам усилителей предъявляются следующие требования:

· возможность работы в данном диапазоне частот;

· как можно меньший коэффициент шума;

· достаточный коэффициент усиления;

· доступность и низкая цена.

Технические параметры выбранных смесителей и усилителей представлены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 — Технические параметры активных элементов блока РПТ-04

К техническим характеристикам пассивных элементов схемы (фильтрам, аттенюаторам, переключателям) относится вносимое затухание, чем оно меньше, тем меньше значение коэффициента шума всего тракта.

Основные технические параметры выбранных пассивных элементов представлены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 — Основные технические параметры пассивных элементов блока РПТ-04