11.2.Методы измерения шумовых параметров радиоэлектронных устройств

Наиболее простым методом измерения коэффициента шума является метод двух отсчетов. Сущность его состоит в измерении мощности шума на выходе испытуемого устройства ИУ при поочередном включении на входе двух шумовых сигналов генераторов Гш1 и Гш2 различной мощности (рис 10.1).

Отсчеты по шкале измерителя мощности ИМ при первом α₁ и втором α₂ измерениях дают возможность записать два равенства:

(10.15)

где Р_ш1 и Р_ш2 – мощности первого и второго генераторов шума; Р_ш.у – мощность шумов испытуемого устройства.

Рис. 10.78. Измерение коэффициента шума методом двух отсчетов

Из первого равенства найдем Р_ш.у и подставим во второе, получим

(10.16)

Чтобы исключить из (10.16) коэффициент усиления G, запишем α₁ через определение коэффициента шума F в форме (10.3)

α₁ = Р_ш.вых1=F G kT₀ (10.17)

и подставим в правую часть (10.16)

(10.18)

Запись (10.18) приводит к формуле для вычисления коэффициента шума испытуемого устройства

(10.19)

Если генераторы шума градуированы в значениях относительной температуры шума, то формула (10.19) приобретает вид:

где (10.20)

Для случая, когда имеется возможность регулировать мощности генераторов шума так, чтобы α₂/α₁ = 2, получают известную формулу «метода удвоения»

F = t_ш2 - t_ш1 (10.21)

Проделав выкладки, подобные (10.15) — (10.20), можно получить формулу для вычисления температуры шума Tш.у испытуемого устройства

T_ш.у = (10.22)

Недостатком метода двух отсчетов является систематическая погрешность за счет шумов измерителя мощности.

Чтобы учесть эту погрешность, необходимо из (10.22) вычесть долю шумов измерителя мощности, пересчитанную ко входу испытуемого устройства:

(10.23)

где Тш.и — температура шума входа измерителя мощности; G — коэффициент усиления испытуемого устройства.

Эту же погрешность исключают в процессе измерения методом измерительного аттенюатора (рис. 10.2). Для реализации этого метода сигналы от генераторов Гш1 и Гш2 с помощью переключателя подаются на испытуемое устройство ИУ и через измерительный

Рис 10.2 Измерение коэффициента шума методом измерительного аттенюатора

усилитель ИА на ваттметр ИМ.

П роцедура измерений в данном методе следующая. Вначале измерительный аттенюатор устанавливают на отметку n₁ включают генератор Гш1 и замечают показания ваттметра α₁. Полученный результат можно записать в виде равенства:

(10.24)

где α₀ — собственные шумы ваттметра, k — коэффициент пропорциональности.

Затем выключают генератор Гш1 и включают Гш2. Регулируя ослабление аттенюатора ИА, добиваются прежних показаний α₁ ваттметра. Новый результат соответствует записи

(10.25)

Р ешая совместно (10.24) и (10.25), получают

(10.26)

где n₁, n₂ — коэффициенты передачи измерительного аттенюатора.

Источники погрешностей рассмотренных методов обусловлены следующими причинами:

нелинейностью амплитудной характеристики испытуемого устройства;

погрешностью градуировки мощности (температуры шумов) генераторов;

погрешностью измерения отношения (α₂/α₁ либо n₂/n₁);

рассогласованием генераторов и измерителя мощности по отношению к испытуемому устройству.

Модуляционные методы

Модуляционные методы основываются на модуляции шумовых сигналов периодической последовательностью прямоугольных импульсов, благодаря которой измерение отношений мощностей шумовых сигналов сводится к измерению отношений амплитуд сигналов с частотой модуляции.

Например, введение 100 % модуляции генераторов Гш1 и Гш2 в противофазе прямоугольными импульсами со скважностью, равной 2, эквивалентно периодическому срабатыванию переключателя с частотой модуляции. Если при этом вместо измерителя мощности включить детектор с фильтром для выделения сигнала с частотой модуляции, то ее амплитуда будет пропорциональна разности мощностей генераторов Гш1 и Гш2. Таким образом, вследствие модуляции генераторов шума удается автоматизировать измерение отношения мощностей.

К роме того, модуляция дает возможность существенно повысить чувствительность измерителя коэффициента шума за счет применения синхронного детектирования сигналов. Чувствительность приемника с синхронным детектором улучшается до значения

T_min= (10.27)

где Т _min — минимальная температура шума, регистрируемого приемником; τ — постоянная времени отсчетного устройства приемника; Δf — полоса пропускания линейной части приемника в Гц.

Схема модуляционного метода измерения показана на рис.10.З. Сигнал от генератора ГШ через испытуемое устройство ИУ и модулятор М поступает на усилитель высокой частоты УВЧ, квадратичный детектор КД и усилитель частоты модуляции УЧМ. Генератор модулирующих импульсов ГМ формирует прямоугольные импульсы для модуляции генератора шума и сигнала на выходе испытуемого устройства.

Процедура измерения состоит из двух операций: калибровка и измерения.

П ри калибровке модулируется только ГШ. Регулируют усиление УВЧ таким образом, чтобы отсчетное устройство II на выходе УЧМ показывало относительную температуру шума:

(10.28)

Рис. 10.3 Модуляционный метод измерения коэффициента шума

П осле калибровки включают режим измерения. При измерении ГШ выключен, но модулируется шумовой сигнал на выходе испытуемого устройства ИУ. Показания отсчетного устройства в режиме измерения

(10.29)

где Т₀ — температура шума выключенного устройства ИУ.

З начение α₂ отличается от относительной температуры шума испытуемого устройства на величину Δ= , представляющую собой систематическую погрешность метода.

Другим источником систематической погрешности в рассмотренном методе являются шумы измерительного приемника, состоящего из усилителя, детектора и усилителя частоты модуляции. Для исключения этой погрешности применяют схемы с компенсацией собственных шумов, подобно тому, как это выполнено в измерителе Х5-11.

Нулевой модуляционный метод

Нулевой модуляционный метод обладает наименьшими погрешностями из всех рассмотренных методов. Отличительной особенностью метода является использование измерительного приемника в качестве нуль-индикатора, а отсчеты отношения уровней сигналов, необходимые для определения коэффициента шума либо температуры шума испытуемого устройства, снимают со шкалы измерительного аттенюатора.

Схема нулевого модуляционного метода показана на рис 10.4. Сигнал от генератора шума ГШ через испытуемое устройство ИУ поступает на смеситель СМ, где с помощью сигнала гетеродина Гет спектр шума и амплитудные соотношения переносятся на промежуточную частоту. Сигнал промежуточной частоты модулируется прямоугольными импульсами в модуляторе M1 и поступает на

Рис. 10.4 Нулевой метод измерения коэффициента шума

вход нуль-индикатора, состоящего из усилителя промежуточной частоты УПЧ, квадратичного детектора КД, усилителя частоты модуляции УЧМ и индикатора И. Сюда же на вход УПЧ через модулятор М2 поступает сигнал от генератора промежуточной частоты ГПЧ. Между ГПЧ и М2 включен измерительный аттенюатор ИА, который меняет уровень сигнала ГПЧ на входе нуль-индикатора. Оба модулятора модулируются в противофазе прямоугольными импульсами генератора ГМ со скважностью, равной 2. Если сигналы не равны, то на выходе КД появляется сигнал с частотой модуляции, усиливается в УЧМ и подастся на индикатор И. Если сигналы равны, то на выходе КД сигнала нет, и индикатор покажет нуль. Благодаря этому на вход нуль-индикатора поступают поочередно сигналы ГШ и ГПЧ. Момент равенства нулю называется балансом измерителя коэффициента шума. Для измерения коэффициента шума испытуемого устройства, баланс измерителя надо сделать трижды: первый раз с выключенным испытуемым устройством, второй раз с включенным испытуемым устройством, но с выключенным генератором шума, и в третий раз с включенным генератором шума и с испытуемым устройством.

В первой ситуации (выключено испытуемое устройство) уравнение баланса записывают так

Т_пр1 + Т₀ = Т_пр2 + Т₀ + Т_ГПЧ n₁ (10.30)

где Т_пр1 и Т _пр2— температуры шумов на входе усилителя промежуточной частоты, поступающие через модуляторы M1 и М2, соответственно; Тгпч — температура шума ГПЧ; п₁ — коэффициент передачи измерительного аттенюатора.

Во второй ситуации (включено испытуемое устройство) уравнение баланса изменяется

T_пр1 + (Т_ш._у + T₀)-G = T_np2 + Т₀ + T_ГПЧ n₂, (10.31)

где T_ш._у и G — температура шума и коэффициент усиления испытуемого устройства; n₂ — коэффициент передачи измерительного аттенюатора в момент второго баланса.

В третьей ситуации (включены испытуемое устройство и генератор шума) уравнение баланса принимает вид

T_пр1 + (Т_ш._у + T_ГШ)-G = T_np2 + Т₀ + T_ГШ n₃, (10.32)

где Т гш — температура шума генератора ГШ; n₃ — коэффициент передачи аттенюатора в момент третьего баланса.

Р ешение уравнений (10.30) — (10.32) приводит к значению коэффициента шума испытуемого устройства

(10.33)

Достоинство нулевого метода состоит в исключении погрешностей из-за нестабильности приемника (нуль-индикатора), уменьшении погрешности определения отношения мощностей, которая определяется погрешностью измерительного аттенюатора и составляет ~ 0,05 дБ, уменьшения влияния собственных шумов измерителя.