CN107276695B - 一种噪声系数扫描测量方法 - Google Patents

一种噪声系数扫描测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种噪声系数扫描测量方法，首先，噪声系数分析仪控制噪声源关完成一次扫描测量，得到和扫描频率点对应的一组冷噪声功率值Pcold；然后，噪声系数分析仪控制噪声源开完成一次扫描测量，得到和扫描频率点对应的一组热噪声功率值Phot；最后，根据对应频率点的冷热噪声功率值进行Y因子、等效噪声温度和噪声系数的运算和显示。本发明的噪声系数测量方法实现噪声系数的连续扫描测量，显著提高噪声系数的测量速度，能够实时精确地测量出被测件的噪声系数，省去了现有Y因子法在每一个测量频率点都要重复进行噪声源开和关、通道预置以及响应等待等操作，提高噪声系数的测量效率。

Description

一种噪声系数扫描测量方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种噪声系数扫描测量方法。
背景技术
噪声系数是表征接收机及其组成部件在有热噪声存在的情况下处理微弱信号能力的关键参数之一，它决定了接收机的灵敏度，影响着模拟通信系统的信噪比和数字通信系统的误码率。精确的噪声系数测量不仅可以加快低噪声接收机及相关组成部件的设计验证速度，而且还直接决定着产品的研制周期和最终应用的成败。
现有的噪声系数测量方案，其主要缺点是测量速度慢，在每一个测量频率点，噪声系数分析仪都要重复进行噪声源开和关控制、本振预置和点频锁相、通道设置及通道响应稳定的等待等一系列操作过程，大大降低了测量效率。在低噪声器部件、组件及模块的调试测试过程中，该测量方案不能实时反映调试状态对整部件噪声系数的影响，甚至很难找到最佳噪声工作状态，这极大影响了调试效率，不利于噪声系数分析仪在低噪声器部件、组件及模块的批量生产调试中推广应用。
现有的技术方案早在上世纪中期已经在实用化样机上得到应用，该技术方案和当时的低噪声接收机稳定性、硬件响应速度和A/D转换速度相适应，且能够最大限度地减小了低噪声接收机漂移引入的测量误差；缺点是测量速度慢，在微波频段测量401个频率点的噪声系数大约需要2.5分钟。
随着低噪声接收机、快速锁相、YTO和YTF同步跟踪和数据处理等技术的日益改良提高，目前噪声接收机最快扫描速度已提升到1GHz/ms量级，回扫时间缩短到10ms量级；YIG滤波器调谐速率已达到400MHz/ms量级；数据处理速度大幅提升，噪声功率的统计计算速率达50ms/点量级，现有点频测量技术已不适应低噪声接收机、快速锁相、YTO和YTF同步跟踪和数据处理等技术的发展，成为影响噪声系数测量速度的制约因素。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明提出了一种噪声系数扫描测量方法，本发明和当前硬件发展水平和数据处理速度相匹配，是一个全新快速的革命性解决方案，25秒钟内可实现微波频段401个频率点噪声系数的快速测量，比现有技术方案的测量速度提高了5倍以上，能够实时精确地测量出被测件噪声系数的随工作状态变化。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种噪声系数扫描测量方法，首先，噪声系数分析仪控制噪声源关，完成一次扫描测量，得到和扫描频率点对应的一组冷噪声功率值Pcold；
然后，噪声系数分析仪控制噪声源开，完成一次扫描测量，得到和扫描频率点对应的一组热噪声功率值Phot；
最后，根据对应频率点的冷热噪声功率值进行Y因子、等效噪声温度和噪声系数的运算和显示；
其中，噪声源有一个精确定标的超噪比，定义为：
Figure BSA0000146126630000021
式中：
ENR-噪声源的超噪比；
Th-噪声源开时的等效输出噪声温度；
Tc-噪声源关时的等效输出噪声温度；
T0-标准噪声温度290K。
本发明的噪声系数测量方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将噪声源输出连接至噪声系数分析仪射频输入端口；
步骤(2)，噪声系数分析仪控制噪声源关，根据测量频率范围进行噪声接收机通道设置，等待接收通道硬件状态和响应稳定后，启动A/D变换和数据处理线程，得到和扫描频率点对应的一组冷噪声功率值Pcold；
步骤(3)，噪声系数分析仪控制噪声源开，待通道响应稳定后，启动A/D变换和数据处理线程，得到和扫描频率点对应的一组热噪声功率值Phot；
步骤(4)，运算处理与显示；
步骤(5)，上述测量和计算过程中，如果当前扫描测量得到热噪声功率值，就和上次扫描测量中得到的冷噪声功率值进行运算，计算Y因子；如果当前扫描测量得到冷噪声功率值，就和上次扫描测量中得到的热噪声功率值进行运算，计算Y因子；前后两次扫描测量的冷、热噪声功率值循环替代，实现噪声系数的连续扫描测量和同步显示。
可选地，所述步骤(4)，运算处理与显示，具体包括：
步骤(41)，计算Y因子：
噪声源开关两种状态测得的热冷噪声功率的比值即为Y因子，
Figure BSA0000146126630000031
式中：
GNFA-噪声接收机通道增益；
k-1.38×10-23J/K，为玻耳兹曼常数；
B-测量带宽；
Te-等效输入噪声温度；
Th-噪声源开时的等效输出噪声温度；
Tc-噪声源关时的等效输出噪声温度。
步骤(42)，计算等效输入噪声温度Te：
根据式(1)和(2)，得到噪声系数分析仪的等效输入噪声温度Te，
Figure BSA0000146126630000032
步骤(43)，根据等效输入噪声温度和噪声系数的关系计算噪声系数：
Figure BSA0000146126630000041
可选地，所述噪声系数分析仪的接收通道，采用分段变频，通过混频器和YIG振荡器将输入信号转换到中频，然后用一个固定中心频率的中频滤波器来得到噪声系数分析仪的频率分辨率。
可选地，对于特定频率的本振信号，总有对称于本振两侧的两个频率的噪声信号和本振混频生成中频，其中一个是射频频率，另外一个是镜像频率；为抑制镜频响应和多重响应干扰，高波段采用YIG调谐滤波器抑制镜频响应；低波段采用低通滤波和上混频技术抑制镜频响应和多重响应，从而实现单边带噪声系数测量。
本发明的有益效果是：
实现了噪声系数的连续扫描测量，显著提高噪声系数的测量速度，能够实时精确测量被测件噪声系数的变化趋势，省去了现有Y因子法在每一个测量频率点都要重复进行噪声源开和关、通道预置和响应等待等重复性操作，提高噪声系数的测量效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的噪声系数分析仪接收通道的原理框图；
图2为本发明的噪声系数测量原理框图；
图3为本发明的和扫描次数对应的噪声源开关脉冲驱动电压波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的噪声系数扫描测量方法，基于噪声系数分析仪和噪声源组成的硬件平台，噪声系数分析仪实现对极低噪声信号功率的精确测量；噪声源工作在开关两种状态下，提供精确定标和稳定的噪声功率输出，用作噪声系数测量的标准激励源。
噪声源有一个精确定标的超噪比(Excess Noise Ratio)，定义为：
Figure BSA0000146126630000051
式中：
ENR-噪声源的超噪比；
Th-噪声源开时的等效输出噪声温度；
Tc-噪声源关时的等效输出噪声温度；
T0-标准噪声温度290K。
噪声系数分析仪接收通道的原理框图如图1所示，整机采用分段变频的技术方案，通过混频器和YIG振荡器(LO)将输入信号转换到中频，然后用一个固定中心频率的中频滤波器来得到噪声系数分析仪的频率分辨率。该接收方案对于特定频率的本振信号，总有对称于本振两侧的两个频率的噪声信号能够和本振混频生成中频，其中一个是射频频率，另外一个是镜像频率。为抑制镜频响应和多重响应干扰，高波段采用跟踪预选器(YIG调谐滤波器)技术，抑制镜频响应；低波段低通滤波和上混频技术，抑制镜频响应和多重响应，从而实现单边带噪声系数测量。
本发明的噪声系数扫描测量方法，包括以下步骤：
首先，噪声系数分析仪控制噪声源关，完成一次扫描测量，得到和扫描频率点对应的一组冷噪声功率值Pcold；
然后，噪声系数分析仪控制噪声源开，完成一次扫描测量，得到和扫描频率点对应的一组热噪声功率值Phot；
最后，根据对应频率点的冷热噪声功率值进行Y因子、等效噪声温度和噪声系数等参数的运算和显示。
本发明的噪声系数扫描测量方法，测量过程中冷、热噪声功率值循环替代，实现噪声系数的连续扫描测量和同步显示，极大提高噪声系数的测量速度，能够实时精确地测量出被测件噪声系数的随工作状态变化，克服现有Y因子法在每一个测量频率点都要重复进行噪声源开和关、通道预置和响应稳定的等待等重复性操作在测量速度方面的不足。
下面结合说明书附图对本发明的噪声系数扫描测量方法进行详细说明。
如图2所示，本发明的噪声系数扫描测量方法包括以下步骤：
步骤(1)，将噪声源输出连接至噪声系数分析仪射频输入端口；
步骤(2)，噪声系数分析仪控制噪声源关，根据测量频率范围进行噪声接收机通道设置，包括设置波段开关、YIG调谐振荡器和YIG调谐滤波器的同步跟踪驱动、设置中频通道等，等待接收通道硬件状态和响应稳定后，启动A/D变换和数据处理等线程，得到和扫描频率点对应的一组冷噪声功率值Pcold；
步骤(3)，噪声系数分析仪控制噪声源开，待通道响应稳定后，启动A/D变换和数据处理等线程，得到和扫描频率点对应的一组热噪声功率值Phot；
步骤(4)，运算处理与显示，具体包括：
步骤(41)，计算Y因子：
噪声源开关两种状态测得的热冷噪声功率的比值即为Y因子，
Figure BSA0000146126630000061
式中：
GNFA-噪声接收机通道增益；
k-1.38×10-23J/K，为玻耳兹曼常数；
B-测量带宽；
Te-等效输入噪声温度；
Th-噪声源开时的等效输出噪声温度；
Tc-噪声源关时的等效输出噪声温度，一般等于环境温度。
步骤(42)，计算等效输入噪声温度Te：
根据式(1)和(2)，得到噪声系数分析仪的等效输入噪声温度Te，
Figure BSA0000146126630000071
步骤(43)，根据等效输入噪声温度和噪声系数的关系计算噪声系数：
Figure BSA0000146126630000072
噪声系数常用的对数表达式为：
F＝ENR(dB)-10lg(Y-1)+Δ (5)
Δ项用于输入端噪声温度不等于290K时的温度修正。
本发明的测量方法，扫描过程中，冷热噪声功率值循环替代，一次扫描过程中即可根据对应频率点的冷热噪声功率值得到所有频率点的Y因子、等效噪声温度和噪声系数等参数。对应每次扫描，噪声源开关脉冲驱动电压波形如图3所示。
步骤(5)，上述测量和计算过程中，如果当前扫描测量得到热噪声功率，就和上次扫描测量中得到的冷噪声功率进行运算，计算Y因子；如果当前扫描测量得到冷噪声功率，就和上次扫描测量中得到的热噪声功率进行运算，计算Y因子；前后两次扫描测量的冷、热噪声功率值循环替代，实现噪声系数的连续扫描测量和同步显示。
本发明的噪声系数扫描测量方法，在噪声系数连续扫描测量过程中，噪声源的开和关和一次扫描过程对应，而不是和设置测量频率点对应；前后两次扫描测量中冷热噪声功率值循环替代，实现噪声系数的连续扫描测量和同步显示。
本发明提出噪声系数测量方法，实现噪声系数的连续扫描测量，显著提高噪声系数的测量速度，能够实时精确地测量出被测件的噪声系数变化趋势，省去了现有Y因子法在每一个测量频率点都要重复进行噪声源开和关、通道预置和响应等待等重复性操作，提高噪声系数的测量效率。
本发明的噪声系数快速扫描测量方法，使得噪声系数分析仪可以作为工程师日常使用工具进行低噪声放大器部件和接收机系统的产品调试测试，帮助他们进行最佳偏置电路和最佳噪声匹配的调试。本发明极大促进了噪声系数分析在生产调试现场推广应用，提高微波低噪声器部件的调试效率从而提升噪声系数性能指标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种噪声系数扫描测量方法，其特征在于，首先，噪声系数分析仪控制噪声源关，完成一次扫描测量，得到和扫描频率点对应的一组冷噪声功率值Pcold；
然后，噪声系数分析仪控制噪声源开，完成一次扫描测量，得到和扫描频率点对应的一组热噪声功率值Phot；
最后，根据对应频率点的冷热噪声功率值进行Y因子、等效噪声温度和噪声系数的运算和显示；
其中，噪声源有一个精确定标的超噪比，定义为：
Figure FSB0000188275180000011
式中：
ENR-噪声源的超噪比；
Th-噪声源开时的等效输出噪声温度；
Tc-噪声源关时的等效输出噪声温度；
T0-标准噪声温度290K；
该方法包括以下步骤：
步骤(1)，将噪声源输出连接至噪声系数分析仪射频输入端口；
步骤(2)，噪声系数分析仪控制噪声源关，根据测量频率范围进行噪声接收机通道设置，等待接收通道硬件状态和响应稳定后，启动A/D变换和数据处理线程，得到和扫描频率点对应的一组冷噪声功率值Pcold；
步骤(3)，噪声系数分析仪控制噪声源开，待通道响应稳定后，启动A/D变换和数据处理线程，得到和扫描频率点对应的一组热噪声功率值Phot；
步骤(4)，运算处理与显示；
步骤(5)，上述测量和计算过程中，如果当前扫描测量得到热噪声功率值，就和上次扫描测量中得到的冷噪声功率值进行运算，计算Y因子；如果当前扫描测量得到冷噪声功率值，就和上次扫描测量中得到的热噪声功率值进行运算，计算Y因子；前后两次扫描测量的冷、热噪声功率值循环替代，实现噪声系数的连续扫描测量和同步显示；
所述步骤(4)，运算处理与显示，具体包括：
步骤(41)，计算Y因子：
噪声源开关两种状态测得的热冷噪声功率的比值即为Y因子，
Figure FSB0000188275180000021
式中：
GNFA-噪声接收机通道增益；
k-1.38×10-23J/K，为玻耳兹曼常数；
B-测量带宽；
Te-等效输入噪声温度；
Th-噪声源开时的等效输出噪声温度；
Tc-噪声源关时的等效输出噪声温度；
步骤(42)，计算等效输入噪声温度Te：
根据式(1)和(2)，得到等效输入噪声温度Te，
Figure FSB0000188275180000022
步骤(43)，根据等效输入噪声温度和噪声系数的关系计算噪声系数：
Figure FSB0000188275180000023
2.如权利要求1所述的一种噪声系数扫描测量方法，其特征在于，所述噪声系数分析仪的接收通道，采用分段变频，通过混频器和YIG振荡器将输入信号转换到中频，然后用一个固定中心频率的中频滤波器来得到噪声系数分析仪的频率分辨率。
3.如权利要求2所述的一种噪声系数扫描测量方法，其特征在于，对于特定频率的本振信号，总有对称于本振两侧两个频率的噪声信号和本振混频生成中频，其中一个是射频频率，另外一个是镜像频率；为抑制镜频响应和多重响应干扰，高波段采用YIG调谐滤波器抑制镜频响应；低波段采用低通滤波和上混频技术抑制镜频响应和多重响应，从而实现单边带噪声系数测量。
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