материалы за 2021г / литературные источники / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

диапазоне частот до 80 МГц. Шум диода имеет нормальный закон распределения и пик-фактор не менее 5. В генераторе Г2–37 предусмотрен перенос спектра источника шума из области высоких частот в рабочий диапазон методом гетеродинирования. Для этого используют преобразователь частоты с гетеродином, работающим на частоте 70 МГц. В результате на выходе смесителя получают сигнал разностной частоты с полосой 0–7 МГц. Он поступает на фильтры нижних частот, формирующие рабочие полосы поддиапазонов 0–20 кГц, 0–600 кГц или 0–6.5 МГц. После усиления шумовой сигнал поступает на ступенчатый аттенюатор и вольтметр. Выходное напряжение регулируется в пределах 3 мкВ … 1 В плавно и ступенями через 10 дБ при внешней нагрузке не менее 10 кОм.

Рис. 12.12. Спектральная плотность мощности шума: а – «белого», б – «розового»

Для иллюстрации области применения генераторов шума рассмотрим метод измерения коэффициента шума приемно-усилительных устройств, известный как метод двух отсчетов или метод Y-фактора. Это наиболее часто используемый метод в стандартных измерителях коэффициента шума в ВЧ и СВЧ диапазоне.

Напомним, что для оценки уровня собственных шумов используют следующие параметры: коэффициент шума и шумовая температура устройства, а также их зависимость от частоты. Коэффициент шума или фактор шума (NF – Noise Figure) усилителя с коэффициентом усиления по мощности Kp равен отношению сигнал/шум на входе и на выходе

или в логарифмических единицах (децибелах)

Kш, дБ = Pш вых, дБм− Pш вх,дБм− K p , дБ .

293

Коэффициент шума показывает, во сколько раз выходное соотношение сигнал/шум меньше входного. Коэффициент шума зависит от мощности входного шумового сигнала. Поэтому для однозначного определения коэффициента шума в качестве стандартного источника используют

генератор теплового шума при комнатной температуре T0=290°К

(16.8°С). Для характеристики малошумящих активных четырехполюсни-

ков удобнее использовать эффективную шумовую температуру устрой-

ства ( по аналогии с шумовой температурой источника шума):

Tш = T0 (Kш −1) , Kш = 1+ Tш T0

Иными словами, реальное тестируемое устройство может быть заменено идеальным, не вносящим шума, но имеющим на входе дополнительный источник теплового шума с эквивалентной температурой Tш. Связь коэф-

фициента шума и шумовой температуры иллюстрирует таблица 12.1.

Для измерения коэффициента шума и шумовой температуры устройства методом двух отсчетов используют генератор шума с известным ENR (известной шумовой температурой) и измеритель выходной мощности шума (например, анализатор спектра). Если измерить мощность P1 на

выходе устройства в полосе f, подключив к его входу согласованную нагрузку при температуре T0=290°K, то уравнение для нее можно записать в таком виде:

P1 = kT0 f K p + Pш .

Затем включаем генератор шума. При этом можно считать, что мы «нагрели» согласованную нагрузку до значения T0сн = (ENR + 1) T0 . Из-

294

меряем мощность P2 на выходе усилителя:

P2 = (ENR + 1) kT0 f K p + Pш

Отношение мощностей P2/P1 исторически называется «Y-фактором», откуда и появилось второе название метода:

Отсюда находим результат измерения коэффициента шума исследуемого устройства:

= ENR Kш Y −1

В заключение отметим, что в измерительной практике получили распространение также генераторы псевдослучайных (псевдошумовых) сигналов, отличающиеся возможностью точной установки статистических характеристик, постоянством среднеквадратического значения и независимостью его от полосы частот. Псевдослучайный цифровой сигнал представляет собой поток двоичных импульсов (принимающих два значения ±1). Длина последовательности импульсов имеет конечную длину M и повторяется через определенное время. М-последовательности формируются с помощью сдвигового регистра и имеет автокорреляционную функцию, сходную с АКФ «белого» шума с ограниченным спектром. Спектральная плотность мощности M-последовательности линейчатая (поскольку сигнал периодический) с огибающей, спадающей до уровня – 3дБ на частоте, равной 0.45 от тактовой частоты импульсов. Изменение мощности на –0.1 дБ имеет место на частоте 0.085 от тактовой (полоса «постоянной мощности»).

Псевдослучайная последовательность отличается от физически реализованного случайного сигнала. Однако она может быть при необходимости воспроизведена повторно, что позволяет упростить процесс исследования и настройки устройств. В настоящее время псевдослучайные источники шума обеспечивают микропроцессорные генераторы импульсов и кодовых последовательностей. Например, генератор фирмы Keysight Technologies 81150А/81160А в режиме источника шума обеспечивает псевдослучайный гауссов шум с периодом повторения до 20 дней с регулируемым пик-фактором. Отечественный генератор шума Г2–57 позво-

ляет получить псевдослучайные последовательности длиной 221. Максимальная тактовая частота в генераторе равна 12 МГц. Это обеспечивает верхнюю граничную частоту спектра шума по уровню –3 дБ порядка 5.5 МГц. В генераторе Г2–57 предусмотрена также генерация случайного бинарного шума, который задается шумовым диодом 2Г401Б.

295

Аналоговые и цифровые синтезаторы частоты

Синтезаторами частоты в измерительной технике называют генераторы гармонических напряжений с дискретной перестройкой частоты и стабильностью частоты, равной стабильности лучших кварцевых генераторов. Они обеспечивают хорошую синусоидальную форму сигнала, его спектральную «чистоту», высокую точность установки и возможность программной перестройки частоты. Синтезаторы позволяют получать напряжения фиксированных частот (сетку частот) с дискретностью до сотых долей герц. По точности установки и стабильности частоты синтезаторы превосходят обычные измерительные генераторы с плавной перестройкой частоты.

Различают несколько способов построения синтезаторов частоты:

•cинтезаторы с прямым аналоговым синтезом частоты (Direct Analog Synthesizers);

•cинтезаторы с косвенным синтезом частоты (Indirect Synthesizers) или синтезаторы с ФАПЧ;

•cинтезаторы с прямым цифровым синтезом (DDS – Direct Digital Synthesizers).

Синтезаторы с прямым аналоговым методом синтеза частоты основаны на изменении частоты опорного колебания с помощью операций деления, умножения, сложения и вычитания частот. Очистку результирующего сигнала от побочных колебаний проводят с помощью системы узкополосных фильтров (рис. 12.13).

Сигнал опорного кварцевого генератора с помощью умножителей и делителей частоты преобразуется в набор сигналов, формирующий сетку опорных частот f1, f2... fn. C помощью коммутатора на смеситель подают

два сигнала сетки, на выходе подключают фильтр, которым выделяют сигнал с суммарной или разностной частотой, соответствующую желаемой выходной частоте синтезатора.

Достоинствами таких генераторов является высокая скорость перестройки частоты и низкий фазовый шум, недостатками – значительный уровень побочных гармоник, ограниченный частотный диапазон, громоздкость схемы (особенно при малом шаге перестройки). В настоящее время такие приборы в измерительной практике применяют, в основном, в качестве источника опорного сигнала для синтезаторов с косвенным принципом формирования частоты (синтезаторы с ФАПЧ).

Синтезаторы, основанные на применении фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ (PLL – Phase Locked Loops), как правило, имеют гораздо меньшие размеры и сложность по сравнению с аналоговыми схемами.

296

улучшения параметров синтезаторов с косвенным синтезом частоты используют более сложные схемы с несколькими петлями ФАПЧ.

В настоящее время в измерительной технике наибольшее распространение получили генераторы с прямым цифровым синтезом формы выходного сигнала (DDS). Поскольку они используются для получения сигналов различного вида (не только гармоничеких), то их целесообразно рассмотреть в отдельном разделе, посвященном цифровым генераторам сигналов произвольной формы.

Измерительные генераторы на основе прямого цифрового синтеза сигналов

Принцип работы DDS генераторов – получение потока цифровых кодов, описывающих требуемую форму сигнала. Далее эти коды с помощью высокоскоростного ЦАП преобразуются в аналоговый образ синтезированного выходного сигнала. Генерируемый сигнал характерен свойственной цифровым системам точностью. Частота, амплитуда и фаза сигнала в любой момент времени известны и легко регулируются. Генераторы DDS практически не подвержены температурному дрейфу и старению. Единственным элементом, который обладает свойственной аналоговым схемам нестабильностью, является ЦАП. Высокие технические характеристики стали причиной того, что в последнее время DDS генераторы вытесняют как обычные синтезаторы частот, так и аналоговые функциональные генераторы.

Основные преимущества метода DDS:

•высокое разрешение по частоте и фазе, управление которыми осуществляется в цифровом виде. Частотное разрешение современных DDS генераторов составляет сотые и даже тысячные доли герца при выходной частоте до десятков мегагерц;

•быстрый переход на другую частоту (время перехода составляет доли микросекунд). Скорость перестройки ограничена практически только быстродействием цифрового управляющего интерфейса. Перестройка по частоте происходит без разрыва фазы, без выбросов и других аномалий, связанных с процессом установления в генераторах с ФАПЧ;

•из-за малого шага перестройки по частоте не требуется точная подстройка опорной частоты – вместо нее легко ввести код поправки. Также упрощается параметрическая температурная компенсация источника опорной частоты;

•поскольку выходной сигнал синтезируется в цифровом виде, то ограничений в выборе формы сигнала практически нет. В частности, легко реализовать модуляцию различного вида.

299

Метод DDS имеет и некоторые ограничения:

•максимальная выходная частота теоретически не может быть выше половины тактовой (на практике она в 5–6 раз меньше). Это ограничивает верхнюю частоту применения метода DDS областями ВЧ и нижней части СВЧ диапазонов (в настоящее время в генераторах высокого класса используют тактовые частоты до единиц и десят-

ков ГГЦ);

•побочные составляющие выходного сигнала могут быть более заметными по сравнению с синтезаторами других типов. Спектральная чистота выходного сигнала DDS сильнозависит от качества ЦАП;

•потребляемая DDS-генераторами мощность питания практически прямо пропорциональна тактовой частоте и может достигать сотен милливатт. При больших тактовых частотах DDS могут оказаться непригодными для устройств с батарейным питанием.

Отметим особенности выходного сигнала цифрового генератора. После ЦАП мы получаем сигнал в виде ступенчатого образа желаемой функции. Разность между идеализированной формой сигнала и его реализацией на выходе ЦАП называется шумом квантования. Амплитуда шума зависит от разрядности ЦАП и составляет половину интервала квантования («ступеньки») . Считается, что закон распределение шума квантования равномерный с нулевым математическим ожиданием и

среднеквадратическим отклонением СКО = D = 12 . Тогда оценка

отношения сигнал/шум (SNR) выходного сигнала генератора с амплитудой Uвых равна:

отношение сигнал/шум выражают в дБ:

(С/Ш)дБ = 20lg(2N 3) = (6N + 4.77), дБ.

Очевидно, что шум квантования существенно зависит от разрядности ЦАП, поэтомув цифровых генераторах используют высокую разрядность (12..14 бит). Снижает шум квантования также фильтрация (сглаживание) сигнала на выходе генератора. Тем не менее, отличие цифрового сигнала DDS и аналогового сигнала обычного измерительного генератора всегда существуют и должны учитываться.

Основным блоком формирования выходного сигнала в схеме генератора DDS является ЦАП (рис. 12.16)

300

(при перестройке частоты требуется переключать частоту среза ФНЧ), а также ведет к неоптимальному использованию ЦАП. Его скоростные свойства будут в полной мере использованы лишь на максимальной частоте дискретизации.

Недостатки описанной выше структуры могут быть устранены путем замены адресного счетчика ПЗУ накапливающим сумматором. Он представляет собой ячейку памяти (регистр), в которой на каждом такте работы устройства записывается значение текущей фазы сигнала. Она будет равна сумме предыдущего значения и заданного приращения фазы, которое хранится в своем регистре и является, по сути, кодом выходной ча-

стоты M (рис. 12.17).

ГЧастота дискретизации

Рис. 12.17. Генератор типа AFG с аккумулятором фазы

Поскольку накапливающий сумматор и регистр фазы используют для формирования текущего кода фазы, их называют аккумулятором фазы. Его выходной код представляет собой код мгновенной фазы выходного сигнала. Содержимое регистра фазы линейно увеличивается во времени. Если приращение фазы M равно единице, то поведение накапливающего сумматора ничем не отличается от поведения двоичного счетчика. Но если приращение фазы будет равно, например, двум, то код фазы будет изменяться вдвое быстрее. При этом на ЦАП коды будут поступать с той же частотой, но будут представлять собой не соседние, а взятые из ПЗУ через один отсчеты функции sin(x). Частота генерируемого сигнала при этом будет вдвое большей, а частота дискретизации останется прежней. Меняя значение приращения фазы M, регулируют выходную частоту сигнала DDS генератора.

Аккумулятор фазы имеет конечную разрядность N и работает с пери-

одическими переполнениями, обеспечивая арифметику по модулю 2N. Такое периодическое переполнение соответствует периодическому пове-

302