CN106067844B - 一种噪声源超噪比平坦度的补偿方法 - Google Patents
一种噪声源超噪比平坦度的补偿方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置及方法,属于噪声系数测量技术领域,包括接口单元、控制单元和噪声发生单元,所述接口单元、控制单元和噪声发生单元通过线路依次连接,补偿装置通过I2C总线和噪声系数分析仪通讯。本发明将现有超宽带同轴噪声源的频率下限扩展至10MHz,满足了噪声系数分析仪的低端频率覆盖范围,方便用户使用;超噪比平坦度指标得到显著提升,减小了噪声源超噪比的插值误差;噪声源超噪比范围大幅减小,在对相同被测件测量时可减小噪声系数分析仪的噪声功率测量范围,进而提高了噪声系数的动态精度。
Description
技术领域
本发明属于噪声系数测量技术领域,具体涉及一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置及方法。
背景技术
噪声系数是量化接收机处理微弱信号能力最为重要的参数之一,高精度的噪声系数测量对于优化接收机的大小、重量、成本和性能,提高可靠性具有重要意义。噪声系数测试仪是高灵敏度接收机与固态噪声源的杰出融合,固态噪声源作为标准激励源,工作在开关两种状态下,提供高稳定度和高精度的噪声激励信号,噪声源超噪比平坦度对噪声系数的测量精度至关重要。
噪声源是一种能产生连续频谱的装置,其核心是噪声二极管,常用固态噪声源的工作原理是利用P-N结二极管反向偏置工作在雪崩击穿状态,由于雪崩区内电子、孔穴对速率的随机起伏而产生了雪崩散弹噪声,该雪崩散弹噪声在一定的频段内具有连续的功率谱密度。其主要优点是工作频带宽,工作稳定,供电方便功耗低,并可工作在快速开关两种状态下,因此常和噪声系数分析仪一起使用,实现噪声系数的自动测量。其主要缺点是宽频带工作时输出噪声功率平坦度较差,需要在噪声源的频率覆盖范围内选择多个频率点对超噪比校准。
与本发明最相近噪声源的实现方案如图1所示,主要组成包括电流调整电路、噪声二极管、隔直电路及输出匹配电路。噪声仪系数分析仪提供+28V脉冲驱动电压,和噪声源之间通过BNC电缆相连。
噪声二极管的输出噪声功率,用超噪比表示近似为:
式中:ENR—噪声源的超噪比值,单位为dB;
a—取决于结材料及几何形状的常数;
Ub—噪声二极管的击穿电压,单位为V;
I—加在噪声管上的雪崩驱动电流,单位为mA;
k—玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K);
T0—标准噪声温度290K;
RSC—空间电荷电阻,单位为Ω;
RSP—串联电阻,单位为Ω;
ω、ωa—工作角频率、雪崩角频率,单位为rad/s。
噪声源在全频带内驱动电流固定,依据噪声源超噪比经验公式,通过合理设计偏置电路可基本实现固态噪声二极管的雪崩频率和输出噪声功率范围;通过优化输出匹配电路可以改善噪声源的输出端口匹配特性。
现有的使用该技术方案设计出的超宽带噪声源频率范围:1~50GHz,典型的超噪比范围: 7~20dB。
与本发明最相近的图1的实现方案,主要缺点是噪声源输出功率平坦度差,图2为一个现有噪声源输出功率随频率变化的典型曲线图。作为噪声系数测量的标准激励源使用时,会因超噪比插值误差影响噪声系数测量精度;另外超噪比的最大值和最小值相差15dB左右,在使用过程中提高了对噪声接收机的动态范围的要求。
图2中f1和f2为噪声源超噪比定标频率点,定标频率点的超噪比数据由厂家给出;f中为非定标频率点,其超噪比数据是通过f1和f2定标频率点超噪比线性值内插得到。当噪声源输出功率平坦度差时,噪声源实际输出功率幅度为B,而通过线性内插得到的功率值为A。当噪声源作为噪声系数测试的标准激励源时,由噪声源超噪比频响引入的噪声系数测量误差为 B-A。在产品研发领域,高精度的噪声系数测试可以保证设计仿真值和真实测量值之间的可复验性,并有助于发现在仿真过程中未考虑到的噪声来源;在生产领域,更高的测试精度可以减小被测件噪声系数不确定度的设置范围,增加产品竞争力,因此噪声源超噪比平坦度补偿非常重要。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题,本发明提出了一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置及方法,设计合理,克服了现有技术的不足,具有良好的推广效果。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置,包括接口单元、控制单元和噪声发生单元,所述接口单元、控制单元和噪声发生单元通过线路依次连接;补偿装置通过I2C总线连接有噪声系数分析仪;
所述接口单元,包括I2C总线接口和电源接口;
所述I2C总线接口,被配置为用于为补偿装置提供通讯接口;
所述电源接口,被配置为用于为补偿装置提供电源;
所述控制单元,包括总线收发器、D/A转换器、压流转换电路和E2PROM,所述总线收发器、D/A转换器、压流转换电路通过线路依次连接,所述E2PROM和总线收发器通过线路连接,所述总线收发器通过线路连接到I2C总线接口;
所述E2PROM,被配置为用于存储补偿装置的型号、串号以及补偿装置的超噪比校准数据,该数据为补偿装置中和频率点一一对应的D/A转换器的数据位;
所述总线收发器,被配置为用于接收和发送噪声系数分析仪和补偿装置之间的数据;
所述D/A转换器,被配置为用于将噪声系数分析仪加载的数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路;
所述压流转换电路,被配置为用于将D/A转换器输出的电压转换成电流加出至噪声发生单元;
所示噪声发生单元,包括噪声二极管、隔直电路和输出匹配电路,所示噪声二极管、隔直电路和输出匹配电路通过线路依次连接,所述噪声二极管通过线路和压流转换电路连接;
所述噪声二极管,被配置为用于产生宽带噪声信号;
所述隔直电路,被配置为用于隔离直流偏置信号;
所述输出匹配电路,被配置为用于将噪声信号输出,并改善噪声源的输出匹配特性。
基于I2C接口,噪声系数分析仪通过I2C总线经总线收发器,从E2PROM中读取D/A位数据传输至D/A转换器的输入端口,D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路,压流转换电路将电压量转换成电流量,加载至噪声二极管,这样即可实现不同频率点加在噪声二极管的驱动电流可调,通过改变噪声源上的电流调整噪声源的超噪比大小,实现了超噪比平坦度的补偿。
优选地,补偿装置还包括电源调整电路,所述电源调整电路与接口单元中的电源接口通过线路连接。
此外,本发明还提供一种噪声源超噪比平坦度的补偿方法,该方法采用如上所述的一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置,包括如下步骤:
步骤1:将补偿装置通过接口单元插入噪声系数分析仪;
步骤2:噪声系数分析仪自动识别补偿装置是否插入,识别到补偿装置后,通过I2C总线读取E2PROM中保存的超噪比平坦度校准数据;
步骤3:基于I2C接口,噪声系数分析仪将从E2PROM中读取到的校准数据通过I2C总线经总线收发器传输到D/A转换器的输入端;
步骤4:D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路;
步骤5:压流转换电路将经过D/A转换器转换后的电压量转换成电流量加至噪声二极管;
步骤6:根据公式(1),通过改变噪声源上的驱动电流,调整噪声源的超噪比大小,实现噪声源超噪比平坦度的补偿;
其中,ENR—噪声源的超噪比值,单位为dB;
a—取决于结材料及几何形状的常数;
Ub—噪声二极管的击穿电压,单位为V;
I—加在噪声管上的雪崩驱动电流,单位为mA;
k—玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K);
T0—标准噪声温度290K;
RSC—空间电荷电阻,单位为Ω;
RSP—串联电阻,单位为Ω;
ω、ωa—工作角频率、雪崩角频率,单位为rad/s。
本发明所带来的有益技术效果:
本发明提出了一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置及方法,与现有技术相比,本发明将现有超宽带同轴噪声源的频率下限扩展至10MHz,满足了噪声系数分析仪的低端频率覆盖范围,方便用户使用;超噪比平坦度指标得到显著提升,减小了噪声源超噪比的插值误差;噪声源超噪比范围大幅减小,在对相同被测件测量时可减小噪声系数分析仪的噪声功率测量范围,进而提高了噪声系数的动态精度。
附图说明
图1为现有噪声源超噪比平坦度补偿装置的硬件原理图。
图2为现有噪声源的输出功率随频率变化的曲线图。
图3为本发明一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置的硬件原理图。
图4为本发明一种噪声源超噪比平坦度的补偿方法的流程框图。
图5为使用本发明方法输出的噪声源超噪比典型曲线图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明:
实施例1:
如图3所示的一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置,包括接口单元、控制单元和噪声发生单元,所述接口单元、控制单元和噪声发生单元通过线路依次连接;补偿装置通过I2C总线和噪声系数分析仪通讯。
所述接口单元,包括I2C总线接口和电源接口;
所述I2C总线接口,被配置为用于为补偿装置提供通讯接口;
所述电源接口,被配置为用于为补偿装置提供电源;
所述控制单元,包括总线收发器、D/A转换器、压流转换电路和E2PROM,所述总线收发器、D/A转换器、压流转换电路通过线路依次连接,所述E2PROM和总线收发器通过线路连接,所述总线收发器通过线路连接到I2C总线接口;
所述E2PROM,被配置为用于存储补偿装置的超噪比平坦度校准数据,该数据为补偿装置中和频率点一一对应的D/A转换器的数据位;
所述总线收发器,被配置为用于接收和发送噪声系数分析仪和补偿装置之间的数据;
所述D/A转换器,被配置为用于将噪声系数分析仪加载的数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路;
所述压流转换电路,被配置为用于将D/A转换器输出的电压转换成电流加至噪声发生单元;
所示噪声发生单元,包括噪声二极管、隔直电路和输出匹配电路,所示噪声二极管、隔直电路和输出匹配电路通过线路依次连接,所述噪声二极管通过线路和压流转换电路连接;
所述噪声二极管,被配置为用于产生宽带噪声信号;
所述隔直电路,被配置为用于隔离直流偏置信号;
所述输出匹配电路,被配置为用于将噪声信号输出,改善噪声源的输出匹配特性;
基于I2C接口,噪声系数分析仪通过I2C总线经总线收发器,从E2PROM中读取D/A数据位并传输至D/A转换器的输入端口,D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路,压流转换电路将经过D/A转换器转换后的电压量转换成电流量,加载至噪声二极管,这样即可实现不同频率点加在噪声二极管的驱动电流可调,通过改变噪声源上的驱动电流调整噪声源的超噪比大小,进而实现超噪比平坦度的补偿。
补偿装置还包括电源调整电路,所述电源调整电路与接口单元中电源接口通过线路连接。
实施例2:
在上述实施例的基础上,本发明提供一种噪声源超噪比平坦度的补偿方法(如图4所示),用于实现噪声源超噪比平坦度的补偿,包括如下步骤:
步骤1:将补偿装置通过接口单元插入噪声系数分析仪;
步骤2:噪声系数分析仪自动识别补偿装置是否插入,识别到补偿装置后,通过I2C总线读取E2PROM中保存的超噪比平坦度校准数据;
步骤3:基于I2C接口,噪声系数分析仪将从E2PROM中读取到的校准数据通过I2C总线经总线收发器控制D/A转换器的输出;
步骤4:D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路;
步骤5:压流转换电路将经过D/A转换器输出的电压量转换成电流量加至噪声二极管;
步骤6:根据公式(1),通过改变噪声源上的驱动电流,调整噪声源的超噪比大小,实现噪声源超噪比平坦度的补偿;
其中,ENR—噪声源的超噪比值,单位为dB;
a—取决于结材料及几何形状的常数;
Ub—噪声二极管的击穿电压,单位为V;
I—加在噪声管上的雪崩驱动电流,单位为mA;
k—玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K);
T0—标准噪声温度290K;
RSC—空间电荷电阻,单位为Ω;
RSP—串联电阻,单位为Ω;
ω、ωa—工作角频率、雪崩角频率,单位为rad/s。
本发明一种超宽带噪声源超噪比平坦度的补偿装置的频率范围:10MHz~50GHz,超噪比范围:12~17dB,超噪比的典型曲线如图5所示。相比现有产品频段由1GHz向下扩展到10MHz,满足了噪声系数分析仪的低端频率覆盖范围,方便用户使用,超噪比平坦度指标有显著提升。
本发明满足了噪声系数分析仪的低端频率覆盖范围,方便用户使用;超噪比平坦度指标得到显著地提升,减小了噪声源超噪比的插值误差;减小了噪声源超噪比的范围,进而减小了对噪声接收机的动态范围的要求,提高了噪声系数的动态精度。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种噪声源超噪比平坦度的补偿方法,其特征在于:采用一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置,该装置包括接口单元、控制单元和噪声发生单元,所述接口单元、控制单元和噪声发生单元通过线路依次连接;补偿装置通过I2C总线连接有噪声系数分析仪;
所述接口单元,包括I2C总线接口和电源接口;
所述I2C总线接口,被配置为用于为补偿装置提供通讯接口;
所述电源接口,被配置为用于为补偿装置提供电源;
所述控制单元,包括总线收发器、D/A转换器、压流转换电路和E2PROM,所述总线收发器、D/A转换器、压流转换电路通过线路依次连接,所述E2PROM和总线收发器通过线路连接,所述总线收发器通过线路连接到I2C总线接口;
所述E2PROM,被配置为用于存储补偿装置的超噪比平坦度校准数据;
所述总线收发器,被配置为用于接收和发送噪声系数分析仪和补偿装置之间的数据;
所述D/A转换器,被配置为用于将噪声系数分析仪加载的数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路;
所述压流转换电路,被配置为用于将D/A转换器转换后的电压转换成电流输出至噪声发生单元;
所示噪声发生单元,包括噪声二极管、隔直电路和输出匹配电路,所示噪声二极管、隔直电路和输出匹配电路通过线路依次连接,所述噪声二极管通过线路和压流转换电路连接;
所述噪声二极管,被配置为用于产生宽带噪声信号;
所述隔直电路,被配置为用于隔离直流偏置信号;
所述输出匹配电路,被配置为用于将噪声信号输出;
基于I2C接口,噪声系数分析仪通过I2C总线经总线收发器,将从补偿装置E2PROM中读取D/A数据位传输至D/A转换器的输入端口,D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路,压流转换电路将电压量转换成电流量,加载至噪声二极管,这样不同频率点加在噪声二极管的驱动电流可调,通过改变噪声源上的驱动电流调整噪声源的超噪比大小,实现了超噪比平坦度的补偿;具体包括如下步骤:
步骤1:将补偿装置通过接口单元插入噪声系数分析仪;
步骤2:噪声系数分析仪自动识别补偿装置是否插入,识别到补偿装置后,通过I2C总线读取E2PROM中保存的超噪比平坦度校准数据;
步骤3:基于I2C接口,噪声系数分析仪将从E2PROM中读取到的校准数据通过I2C总线经总线收发器加载至D/A转换器的输入端;
步骤4:D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路;
步骤5:压流转换电路将电压量转换成电流量加至噪声二极管;
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