CN108847902A - 一种噪声信号功率的测量电路和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种噪声信号功率测量电路和测量方法，属于电子测试技术领域，包括波段开关、射频处理电路、微波处理电路、中频开关、可变增益中频放大以及模数转换器。本发明基于射频和微波噪声功率检波电压和中频预检波功率值，合理设置可变增益射频低噪声放大电路、可变增益微波低噪声放大电路和可变增益中频放大电路的增益，保证整个接收电路处于最优的线性接收范围，提高噪声信号功率的测量精度，无需人工干预，可实现各种不同类型被测件噪声系数的精确测量。

Description

一种噪声信号功率的测量电路和测量方法

技术领域

本发明属于电子测试技术领域，具体涉及一种噪声信号功率测量电路和测量方法。

背景技术

任何电路系统都会产生噪声，从而限制电路和系统接收和处理微弱信号的能力。噪声系数是量化电路处理微弱信号能力最为重要的参数之一，微波毫米波通信、雷达、导航、精密制导等电子设备和装备的技术进步都和日益改良的接收机技术密切相关，其中很重要的一个方面就是尽可能减少接收机自身产生的噪声。随着装备技术发展的日新月异，对低噪声器件的要求越来越迫切，对噪声系数指标测量精度也提出了越来越高的要求,高精度的噪声系数测量对于优化整机大小、重量、成本和性能，提高系统可靠性具有重要意义。

噪声系数通常采用噪声系数分析仪进行测量，测量的原理基于Y因子法。分别测量被测件在噪声源热态和冷态激励下输出的噪声功率，这两个功率的比值称为Y因子。得到Y因子后再通过一定的计算和处理过程就可以获取被测件的噪声系数和增益参数。为了实现精确的噪声系数测量，要求噪声系数分析仪的接收电路在噪声源热态和冷态激励时必须保持在线性工作状态。噪声系数的测量范围主要取决于接收电路的线性范围，噪声系数的测量不确定度主要取决于接收电路的线性度。噪声系数测量的一个主要难题是各种不同被测件输出的噪声信号的带宽和总功率千差万别，而在进行单个频点测量时中频接收带宽最宽通常为几MHz，最窄可到100kHz，接收带宽内噪声信号的功率非常小，与被测件总输出噪声功率可能只相差几个dB,也可能相差几十到上百dB，主要取决于被测件输出噪声信号的带宽和频谱分布。由于接收带宽内的噪声功率非常小，因此整个噪声系数分析仪接收机电路的最大增益会非常大，接近100dB,同时设计有射频或微波可变增益电路(位于超外差混频接收电路以前)，以及中频可变增益电路(位于超外差混频接收电路之后)，满足带宽和增益不同的多种被测件的噪声系数精确测量需求。在进行噪声系数测量时，需要根据被测件输出的具体噪声信号功率大小和频谱分布，设置合适的射频、微波电路增益和中频增益，即正确设置位于超外差混频接收前端和后端电路的增益，保证接收电路处于最优的线性状态，提高噪声系数测量精度。但是目前在进行整个接收电路的增益设置时，只能依据中频检波的功率设置接收电路的增益，只能保证中频信号处理电路处于最佳线性接收范围。由于被测件间的频响和带宽各不相同，会出现接收带宽内的噪声功率非常小而被测件整体输出噪声功率非常大情况，如果无法正确设置射频或微波低噪声放大电路的增益，会导致射频或微波部分接收电路工作在压缩状态，产生测量误差。而要保证测量精度，测量人员必须根据被测件和噪声系数分析仪的实际特性，手动设置位于噪声系数分析仪超外差混频接收前端的低噪声放大电路的增益，这样对测量仪器使用人员的专业技术知识提出了较高求。为了解决以上问题，本发明在传统噪声系数分析仪接收电路的基础上增加射频和微波噪声功率检波电路，并提出检波功率压缩门限电压的确定方法，以及根据射频和微波噪声功率检波电压和中频预检波功率设置射频或微波处理电路增益和中频电路增益的方法，保证整个接收电路工作于最优的线性状态，提高噪声系数测量精度，简化噪声系数测量过程，降低对仪器使用人员的专业技术知识要求。传统的噪声系数分析仪接收电路如图1所示，受目前器件性能指标的限制，输入的信号首先经过波段开关分成射频段和微波段分别进行混频接收。位于射频段的接收信号经过波段开关后首先进行低通滤波，滤除镜频和其他高阶信号，保证只接收需要的测量信号。然后经射频低噪声放大、射频超外差混频接收，将不同频率的射频信号变成固定的中频信号。位于微波段的信号经过波段开关后进入微波接收电路，首先进行微波低噪声放大，然后进行可调谐带通滤波，带通滤波器的中心频率随接收频率改变，滤除镜频信号和其他高阶信号，保证只接收需要的微波段信号，然后经微波超外差混频接收电路将不同频率的微波信号都变成固定的中频信号，无论射频还是微波的超外差混频接收电路通常都包括多级混频电路。射频和微波混频所得的中频信号经中频放大和中频开关后合成一路。在进行噪声信号的功率测量时，首先进行热态噪声功率的预测量，如果预测量的噪声功率不在模数转换器(ADC)的最优线性区间，按照先设置中频增益、如果中频增益可调节范围不足再设置射频低噪声放大和微波低噪声放大增益的顺序，设置整个接收机链路的增益，直至预测量的噪声功率在模数转换器(ADC)的最优线性区间，然后再根据整机设置的分辨率带宽进行噪声功率的测量。完成热态噪声功率的测量后，接收机链路的增益不变，进行冷态噪声功率的测量，采用相同的增益设置可减小由于增益切换引入的误差。热态和冷态噪声功率的比值称为Y因子，得到Y因子后，基于测量前的校准和被测件的冷热功率测量的结果，再经过误差修正等数据处理过程，就可以得到被测件精确的噪声系数测量结果。

现在技术的主要缺点是只能根据中频检波的结果，按照先中频放大增益，后射频或微波低噪声放大增益的顺序设置整机接收机链路的增益。但是进行噪声系数测量时，噪声源输出的噪声信号为宽带噪声信号，信号频谱最宽可覆盖几十GHz。被测件在噪声源激励下输出的噪声信号功率的大小，除了受噪声源本身性能指标的影响外，还受被测件自身的噪声系数、增益、频响、工作带宽等多种因素的影响，单个频点中频检波测量得到噪声功率并不能代表被测件整体输出的噪声功率的大小。如果被测件的带宽宽、频响差，中频检波测量得到的噪声功率很小时，会将射频或微波低噪声放大电路的增益设置到最大，因射频和微波低噪声放大电路和第一级混频电路需要处理被测件输出的全频带噪声信号，可能工作在压缩的状态，引入非线性测量误差。而要保证测量精度，测量人员必须根据被测件和噪声系数分析仪的实际特性，手动设置噪声系数分析仪混频器前端低噪声放大电路增益，这样对测量仪器使用人员的专业技术知识提出了较高要求。

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信号功率的测量电路和测量方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种噪声信号功率的测量电路，包括波段开关、射频处理电路、微波处理电路、中频开关、可变增益中频放大以及模数转换器；其中，

射频处理电路，包括低通滤波电路、可变增益射频低噪声放大电路、射频超外差混频接收电路以及第一中频放大电路；

微波处理电路，包括可变增益微波低噪声放大电路、可调谐带通滤波电路、微波超外差混频接收电路以及第二中频放大电路；

其特征在于：射频处理电路和微波处理电路，还分别包括射频噪声功率检波电路和微波噪声功率检波电路，它们分别由耦合功分电路、二极管检波滤波电路和直流放大电路组成；

波段开关、低通滤波电路、可变增益射频低噪声放大电路、射频噪声功率检波电路中的耦合功分电路、射频超外差混频接收电路、第一中频放大电路、中频开关、可变增益中频放大电路以及模数转换器通过线路依次连接；

波段开关、可变增益微波低噪声放大电路、可调谐带通滤波电路、微波噪声功率检波电路中的耦合功分电路、微波超外差混频接收电路、第二中频放大电路、中频开关、可变增益中频放大电路以及模数转换器通过线路依次连接；

耦合功分电路，被配置为用于提取一部分噪声信号，用于噪声功率检波；

二极管检波及滤波电路，被配置为将耦合功分电路提取的噪声信号，转换为与噪声信号的功率对应的直流电压；

直流放大电路，被配置为用于放大直流电压，以适合进行模数转换处理。

在上述实施例的基础上，本发明还提到一种噪声信号功率的测量方法，该方法采用如上所述的噪声信号功率的测量电路，包括如下步骤：

步骤1：获取压缩门限电压，具体包括如下步骤：

步骤1.1：将可变增益中频放大电路的中频增益设置到最小，保证获取压缩门限电压时可变增益中频放大电路不发生压缩；

步骤1.2：用一个外置的可功率扫描的连续波信号源作为激励源，输入信号到噪声信号测量电路，获取射频处理电路和微波处理电路不同频点的压缩输入功率值，其中，射频处理电路的各压缩输入功率值的频率间隔为50MHz，发生的幅度压缩为0.25dB，微波处理电路的各压缩输入功率值的频率间隔为100MHz、发生的幅度压缩为0.25dB，将上述获取的各压缩输入功率值减小5dB，作为发生0.1dB压缩时的输入功率值；

步骤1.3：在射频处理电路和微波处理电路的每个对应频点上，用步骤1.2中的激励源输入连续波信号，信号功率为发生0.1dB压缩时对应的输入功率值，测量对应的检波电压大小，其中，射频电路的最小幅度的检波电压，即为射频电路的压缩门限电压，微波电路的最小幅度的检波电压，即为微波电路的压缩门限电压；

步骤2：测量噪声功率，具体包括如下步骤：

步骤2.1：连接好被测件，将噪声系数分析仪调谐到测量频点，设置噪声源工作在热态；

步骤2.2：根据测量频点，利用射频噪声功率检波电路或微波噪声功率检波电路，获取直流检波电压，判断直流检波电压与压缩门限电压的大小；

若：判断结果是直流检波电压幅度大于相应的压缩门限电压，则按步进减小射频或微波处理电路的增益，直至直流检波电压小于压缩门限电压；

若射频处理电路或微波处理电路置于最小增益时，直流检波电压仍大于压缩门限电压，表明可调节的增益范围不足，给出报警信息，并提示用户需外接衰减器；

步骤2.3：进行中频预检波

如果预检波的噪声功率大小不在模数转换器的最佳线性区，则按步进先设置中频增益后设置射频或微波处理电路的增益，直至预检波功率位于模数转换器的最佳线性区，然后按照测量设置的分辨率带宽，测量在噪声源热态激励下，被测件输出的噪声功率的大小；

若无法将预检波功率设置到模数转换器的最佳线性区，表明可调节的增益范围不足，给出报警信息，并提示用户需外接衰减器；

步骤2.4：设置噪声源工作在冷态，保持步骤2.3中的射频或微波处理电路增益、中频增益不变，测量在噪声源冷态激励下，被测件输出的噪声功率的大小。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种高精度的噪声信号功率测量电路，通过在传统的噪声信号测量接收电路的基础上引入射频和微波噪声功率检波电路，用来评估输入到射频和微波接收电路的整体噪声功率的大小。

本发明提出了一种提取压缩门限电压方法，该方法基于连续波信号和功率回退技术，提取压缩门限电压，用于预测射频微波低噪声放大电路和混频电路是否进入压缩非线性工作状态。

本发明提出了一种高精度的噪声信号功率测量方法，该方法基于射频和微波噪声功率检波电压和中频预检波功率，合理设置可变增益射频低噪声放大、可变增益微波低噪声放大和可变增益中频放大电路的增益，保证整个接收电路处于最优的线性工作范围，提高噪声信号功率的测量精度。

本发明基于射频和微波噪声功率检波电压和中频预检波功率值，合理设置可变增益射频低噪声放大、可变增益微波低噪声放大和可变增益中频放大的增益，保证整个接收电路处于最优的线性接收范围，提高噪声信号功率的测量精度，无需人工干预，可实现各种不同类型被测件噪声系数的精确测量。

附图说明

图1为传统噪声系数分析仪接收电路图。

图2为噪声信号功率测量电路图。

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：

一种噪声信号功率的测量电路，其电路如图2所示，包括波段开关、射频处理电路、微波处理电路、中频开关、可变增益中频放大以及模数转换器；其中，

射频处理电路，包括低通滤波电路、可变增益射频低噪声放大电路、射频超外差混频接收电路以及第一中频放大电路；

微波处理电路，包括可变增益微波低噪声放大电路、可调谐带通滤波电路、微波超外差混频接收电路以及第二中频放大电路；

其特征在于：射频处理电路和微波处理电路，还分别包括射频噪声功率检波电路和微波噪声功率检波电路，它们分别由耦合功分电路、二极管检波滤波电路和直流放大电路组成；

波段开关、低通滤波电路、可变增益射频低噪声放大电路、射频噪声功率检波电路中的耦合功分电路、射频超外差混频接收电路、第一中频放大电路、中频开关、可变增益中频放大以及模数转换器通过线路依次连接；

波段开关、可变增益微波低噪声放大电路、可调谐带通滤波电路、微波噪声功率检波电路中的耦合功分电路、微波超外差混频接收电路、第二中频放大电路、中频开关、可变增益中频放大以及模数转换器通过线路依次连接；

耦合功分电路，被配置为用于提取一部分噪声信号，用于噪声功率检波；

二极管检波及滤波电路，被配置为将耦合功分电路提取的噪声信号，转换为与噪声信号的功率对应的直流电压；

直流放大电路，被配置为用于放大直流电压，以适合进行模数转换处理。

实施例2：

在上述实施例的基础上，本发明还提到一种噪声信号功率的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：获取压缩门限电压，具体包括如下步骤：

步骤1.1：将可变增益中频放大电路的中频增益设置到最小，保证获取压缩门限电压时可变增益中频放大电路不发生压缩；

步骤1.2：用一个外置的可功率扫描的连续波信号源作为激励源，输入信号到噪声信号测量电路，获取射频处理电路和微波处理电路不同频点的压缩输入功率值，其中，射频处理电路的各压缩输入功率值的频率间隔为50MHz，发生的幅度压缩为0.25dB，微波处理电路的各压缩输入功率值的频率间隔为100MHz、发生的幅度压缩为0.25dB，将上述获取的各压缩输入功率值减小5dB，作为发生0.1dB压缩时的输入功率值；

步骤1.3：在射频处理电路和微波处理电路的每个对应频点上，用步骤1.2中的激励源输入连续波信号，信号功率为发生0.1dB压缩时对应的输入功率值，测量对应的检波电压大小，其中，射频电路的最小幅度的检波电压，即为射频电路的压缩门限电压，微波电路的最小幅度的检波电压，即为微波电路的压缩门限电压；

步骤2：测量噪声功率，具体包括如下步骤：

步骤2.1：连接好被测件，将噪声系数分析仪调谐到测量频点，设置噪声源工作在热态；

步骤2.2：根据测量频点，利用射频噪声功率检波电路或微波噪声功率检波电路，获取直流检波电压，判断直流检波电压与压缩门限电压的大小；

若：判断结果是直流检波电压幅度大于相应的压缩门限电压，则按步进减小射频或微波处理电路的增益，直至直流检波电压小于压缩门限电压；

若射频处理电路或微波处理电路置于增益最小时，检波电压仍大于门限电压，表明可调节的增益范围不足，给出报警信息，并提示用户需外接衰减器；

步骤2.3：进行中频预检波

如果预检波的噪声功率大小不在模数转换器的最佳线性区，则按步进先设置可变增益中频放大电路增益后设置射频或微波处理电路的增益，直至预检波功率位于模数转换器的最佳线性区，然后按照测量设置的分辨率带宽，测量在噪声源热态激励下，被测件输出的噪声功率的大小；

若无法将预检波功率设置到模数转换器的最佳线性区，表明可调节的增益范围不足，给出报警信息，并提示用户需外接衰减器；

步骤2.4：设置噪声源工作在冷态，保持步骤2.3中的射频或微波处理电路增益、中频增益不变，测量在噪声源冷态激励下，被测件输出的噪声功率的大小。

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 (2)

1.一种噪声信号功率的测量电路，包括波段开关、射频处理电路、微波处理电路、中频开关、可变增益中频放大电路以及模数转换器；其中，

射频处理电路，包括低通滤波电路、可变增益射频低噪声放大电路、射频超外差混频接收电路以及第一中频放大电路；

微波处理电路，包括可变增益微波低噪声放大电路、可调谐带通滤波电路、微波超外差混频接收电路以及第二中频放大电路；

其特征在于：射频处理电路和微波处理电路，还分别包括射频噪声功率检波电路和微波噪声功率检波电路，它们分别由耦合功分电路、二极管检波滤波电路和直流放大电路组成；

波段开关、低通滤波电路、可变增益射频低噪声放大电路、射频噪声功率检波电路中的耦合功分电路、射频超外差混频接收电路、第一中频放大电路、中频开关、可变增益中频放大电路以及模数转换器通过线路依次连接；

波段开关、可变增益微波低噪声放大电路、可调谐带通滤波电路、微波噪声功率检波电路中的耦合功分电路、微波超外差混频接收电路、第二中频放大电路、中频开关、可变增益中频放大电路以及模数转换器通过线路依次连接；

耦合功分电路，被配置为用于提取一部分噪声信号，用于噪声功率检波；

二极管检波及滤波电路，被配置为将耦合功分电路提取的噪声信号，转换为与噪声信号的功率对应的直流电压；

直流放大电路，被配置为用于放大直流电压，以适合进行模数转换处理。

2.一种噪声信号功率的测量方法，其特征在于：采用权利要求1所述的噪声信号功率的测量电路，包括如下步骤：

步骤1：获取压缩门限电压，具体包括如下步骤：

步骤1.1：将可变增益中频放大电路的中频增益设置到最小，保证获取压缩门限电压时可变增益中频放大电路不发生压缩；

步骤1.2：用一个外置的可功率扫描的连续波信号源作为激励源，输入信号到噪声信号测量电路，获取射频处理电路和微波处理电路不同频点的压缩输入功率值，其中，射频处理电路的各压缩输入功率值的频率间隔为50MHz，发生的幅度压缩为0.25dB，微波处理电路的各压缩输入功率值的频率间隔为100MHz、发生的幅度压缩为0.25dB，将上述获取的各压缩输入功率值减小5dB，作为发生0.1dB压缩时的输入功率值；

步骤1.3：在射频处理电路和微波处理电路的每个对应频点上，用步骤1.2中的激励源输入连续波信号，信号功率为发生0.1dB压缩时对应的输入功率值，测量对应的检波电压大小，其中，射频电路的最小幅度的检波电压，即为射频电路的压缩门限电压，微波电路的最小幅度的检波电压，即为微波电路的压缩门限电压；

步骤2：测量噪声功率，具体包括如下步骤：

步骤2.1：连接好被测件，将噪声系数分析仪调谐到测量频点，设置噪声源工作在热态；

步骤2.2：根据测量频点，利用射频噪声功率检波电路或微波噪声功率检波电路，获取直流检波电压，判断直流检波电压与压缩门限电压的大小；

若：判断结果是直流检波电压幅度大于相应的压缩门限电压，则按步进减小射频或微波处理电路的增益，直至直流检波电压小于压缩门限电压；

若射频处理电路或微波处理电路置于最小增益时，直流检波电压仍大于压缩门限电压，表明可调节的增益范围不足，给出报警信息，并提示用户需外接衰减器；

步骤2.3：进行中频预检波

如果预检波的噪声功率大小不在模数转换器的最佳线性区，则按步进先设置中频增益后设置射频或微波处理电路的增益，直至预检波功率位于模数转换器的最佳线性区，然后按照测量设置的分辨率带宽，测量在噪声源热态激励下，被测件输出的噪声功率的大小；

若无法将预检波功率设置到模数转换器的最佳线性区，表明可调节的增益范围不足，给出报警信息，并提示用户需外接衰减器；

步骤2.4：设置噪声源工作在冷态，保持步骤2.3中的射频或微波处理电路增益、中频增益不变，测量在噪声源冷态激励下，被测件输出的噪声功率的大小。