Měření šumového čísla

Mikrovlnné měřicí systémy Měření šumového čísla A. Základní definice důležité při zpracování slabých analogových i digitálně modulovaných signálů obvykle vstupních radiové signály, výkon podstatně nižší než dbm potřebné hodnoty odstupů výkon signálu - výkon šumu na vstupu demodulátoru dle použité modulace od několika db (digitální modulace, záporné hodnoty v případě modulace typu spread-spectrum ) do desítek db (4dB pro analogový TV signál je) Hlavními zdroje šumu v radiových systémech: termální šum vyzařovaný okolím přijímaný anténou termální šum daný ztrátami ve struktuře antény termální šum daný ztrátami v propojovacích vedeních mezi anténou a přijímačem šumový příspěvek radiového přijímače Definice šumového čísla: S = C. S S S výkon signálu na vstupu dvoubranu šumový výkon signálu na vstupu dvoubranu odpovídající šumovému výkonu BK = kt B!!! C. výkon signálu na výstupu dvoubranu celkový šumový výkon signálu na výstupu dvoubranu k Boltzmanova konstanta k =,8. JK T fyzická teplota bezodrazové koncovky, definiční teplota je T 9 K B šumová šířka pásma v Hz =

zásadní omezení: odpovídá záření dokonale černého tělesa = kvalitní BK na definiční teplotě T = 9 K. Vyžaduje přítomnost signálu, výstupní šum generátorů nemusí odpovídat kt B. Výkonová definice šumového čísla: G + a a a = = = + = + C. G G G kt BG G je zesílený šum BK zapojené na vstupu G je dosažitelný zisk měřeného obvodu (dále označovaný i jako G a ) a je šumový výkon přidaný předmětným dvoubranem Obr. C. Výkonová definice šumového čísla Šumové číslo vyjadřuje v db: db =. log C.4 Ekvivalentní šumová teplota: Obr. C. Definice ekvivalentní šumové teploty a = kte BG C.5 a T e = ( ) kt BG C.6 = ( ) T C.7

riisův vztah: Obr. C. Kaskáda šumových -branů ( ) kt B a = ( ) kt B a = ( ) kt B a = = kt BG G G = kt B G G [ G + ( ) G G G + ( ) G G + ( ) G ] + a G G G + a G G + a G = = + + G G GG = C.8 kt BG G Šumové číslo pasívních prvků Z pohledu se ztrátový impedančně přizpůsobený -bran chová jako BK: kt B = = = L G kt B L C.9 yzikální pohled: kt B L kt B/L ztrátový obvod kt B(L-)/L kt B(L-)/L Obr. C.4 Šumové vyzařování impedančně přizpůsobeného ztrátového obvodu kt B L azo = kt B = kt B C. L L

L kt B azo = + = + L kt B L = C. kt BG L Důsledky riisova vztahu:. Měřicí přijímač s vlastním šumovým číslem M zvyšuje výsledné měřené šumové číslo nutné provést korekci.. Jakýkoliv útlum L (propojovací vedení, přechody, atenuátory, apod.) před DUT se v db přičítá k celkovému šumovému číslu c, nutné provést korekci: ( DUT ) L = L + L DUT L L DUT c L + = cdb = C. = L + C. db DUTdB. Jakýkoliv útlum L (propojovací vedení, přechody, atenuátory apod.) za DUT zvyšují šumové číslo přijímače DUT, tento vliv je nutné zahrnout do kalibrace. B. Principy měření šumového čísla utné znát i zisk G měřeného -branu: = C.4 kt BG ( ) ( L ) L ( ) L L = C.5 M mc L + DUT L + + GDUT GDUT Pro určení neznámých je nutné provést stejný počet lineárně nezávislých měření. Pro standardní vývojové nebo výrobní měření - přepínané diodové šumové zdroje. R short atenuátor +8V V k HP897A HOT COLD noise OUT Obr. C.5 Vnitřní zapojení diodového šumového zdroje HP46B 4

Pro stavy HOT/COLD jsou na výstupu DUT následující hodnoty šumového výkonu : COLD ) = kt BG + ( kt BG C.6 = kt BG + ( T T ) kbg + ( kt BG C.7 HOT HOT ) Měřicí přístroj vyhodnocuje poměr: HOT T + ( THOT T ) Y = = C.8 T COLD Při známé hodnotě Y lze určit ze vztahu: THOT T = C.9 T Y T log HOT T db = log( Y ) = ER log( Y ) C. T Hodnota ER (excess noise ratio) je parametr šumového zdroje, typické hodnoty jsou od cca 6 do db. Parametry šumového zdroje HP46B: frekvenční šířka pásma MHz až 8 GHz ER typ. 5 db, přesné hodnoty v kalibrační tabulce neurčitost ER typ., db teplotní změna ER <,db/ o C PSV - MHz <, -5 MHz <,5 5-8 GHz <,5 napájení 8V/ ma pro stav HOT 5

Měřič šumového čísla HP897A R DP ATT 5 MHz PP ATT PP f = MHz B=4 MHz 5 MHz LO 6 55 MHz VCO řídící počítač OSC 4 MHz ATT OUT GE HPIB A/D DET P šum budič šumivky LED disp. klávesnice Obr. C.6 Zapojení měřiče šumového čísla HP897A Přeladitelný přijímač pracující v pásmu MHz až,5 GHz s kanálem širokým 4 MHz, ve které měří vstupní šumový výkon. přijímaný signál f M M signál LO f M zrcadlový signál,,5,5,55 4, 5,6 přijímané pásmo přeladění LO zrcadlové pásmo f [GHz] Obr. C.7 rekvenční plán přístroje HP897A Hlavní parametry přístroje HP897A : vstupní frekvenční rozsah 5 MHz frekvenční krok MHz vlastní šumové číslo typ. 7 db vstupní PSV <,7 max. vstupní výkon - dbm max. vnější zisk 65 db rozsah měření db rozlišitelnost ±, db pro G a db neurčitost přístroje ±, db 6

měřicí šumová šířka pásma citlivost měřené šumové parametry řízení externích oscilátorů 4 MHz - dbm, db, T e, Y, Y db do 6 GHz Základní kalibrace a korekce V impedančně přizpůsobeném měřicím systému: oise igure Meter R M DUT G DUT S DUT oise Source L L L= L k Obr. C.8 Zapojení při měření šumového čísla Komponenty měřicí trasy mají vliv na celkové měřené šumové číslo mc : ( ) ( L ) L ( ) L L = + + + C. M mc L DUT L GDUT GDUT Kalibrace Měření korekčních parametrů, základní kalibrace - DUT nahrazen propojkou s útlumem L =. Při této kalibraci: M změří své vlastní šumové číslo M vnitřních atenuátorů, a to pro několik různých nastavení do celkového šumového čísla M zahrne i součet útlumů za DUT L útlum L nesmí být při kalibraci přítomen (jinak je zahrnut do L ), musí být změřen předem a pro korekci zadán externě 7

Zapojení pro měření v širším frekvenčním pásmu externí generátor oise igure Meter R DUT G DUT IL S oise Source DUT L= frekvenční konverze Obr. C.9 Zapojení M pro měření na frekvencích do 6 GHz Externí frekvenční konverze - M je použit jako mezifrekvenční M (I) jednotka. M lze z tohoto pohledu nastavit pro práci v několika režimech: a) Režim. Měření v základním pásmu -5 MHz, zapojení pro měření i kalibraci je na Obr. C.8. b) Režim. M pracuje jako pevná M, externí LO je proměnný. f In f In f In f LO f [MHz] přeladění Obr. C. DSB měření v režimu. 8

c) Režim. Používá pevnou frekvenci LO a proměnnou frekvenci M, viz. Obr. C.. f In + MHz +5 MHz odstranit filtrem HP f LO přeladění f [MHz] Obr. C. SSB měření v režimu. d) Režim. rekvenční konverze je uvnitř DUT - směšovače. externí generátor oise igure Meter R DUT G DUT IL S oise Source L= měřený směšovač kalibrace Obr. C. Zapojení pro měření směšovačů e) Režim.4 rekvenční konverze v DUT, pevný f LO, proměnný f I, měření je SSB, nutné použití filtru IL, přelaďování odpovídá Obr. C.. Odrazy v měřicí trase Výše popsané postupy fungují velmi dobře, pokud jsou všechny komponenty v měřicí trase včetně DUT velmi dobře impedančně přizpůsobené. To však v praxi nebývá splněno: 9

Relativně malé problémy na straně S, útlum odrazů typ. > db. Problémem může být rozdíl impedančního přizpůsobení ve stavech HOT a COLD. měřeného obvodu závisí na odrazech S, = f Γ ). Při měření se vstup DUT musí dívat do přesné definiční impedance Z. Je možné snížit dodatečným atenuátorem L, který současně sníží hodnotu ER. Relativně malým problémem je Γ in, při výpočtu Y se odraz uplatní stejně v čitateli i jmenovateli (pokud Γ = Γ ). nshot nscold Větší problémy jsou s odrazy DUT a přijímače v M. DUT ( ns oise igure Meter R M =f(γ out ) DUT =f(γ ns ) Γ in G DUT Γ L S DUT oise Source Γ ns Γ out Obr. C. Odrazy v měřicí trase při měření Šumové číslo jakéhokoliv prvku je závislé na vstupní admitanci (impedanci, koeficientu odrazu) zdroje signálu Y G : R R n [( G G ) + ( B B ) ] = + Y Y n = min + G Gopt G Gopt min G Gopt C. GG GG Odrazy na výstupu DUT: Šumové číslo přijímače je funkcí koeficientu odrazu na svém vstupu = f Γ ). Při kalibraci je měřena hodnota M ( Γ ns ), při vlastní měření se uplatňuje hodnota M ( Γ DUT ). Ve vztazích pro definici šumového čísla se používá dosažitelný zisk G a. Tento zisk je * definován tak, že výstup -branu pracuje do přizpůsobené zátěže Γ L = Γ out. Při standardní kalibraci měří M ale vložný útlum. M ( out

Pokročilá kalibrace a korekce - jsou měřeny šumové parametry M z nich lze vypočítat M pro libovolnou hodnotu Γ out : M min, R n a Γ outopt, M R Γout Γ n ( Γ out ) = M min + 4. C.4 Z + Γ outopt outopt ( Γout ) Přesnou hodnotu přenosového zisku G lze určit z předem změřených s-parametrů DUT, počítá se z adut G za podmínky t * Γ L = Γ : ( Γns ) s G adut = C.5 s Γ ( Γ ) ns Γ = s ssγ + s Γ ns ns C.6