CN110346659A - 高精度定信变噪方式的载噪比标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，具体为：搭建纯信号与噪声的合路系统；确定合路系统中信号发生器产生的纯信号功率预期纯信号功率Ps及预期载噪比CN0，确定衰减器的衰减量La，确定噪声发生器所产生噪声的功率谱密度在合路系统中设定信号发生器产生的纯信号功率与上述确定值相同；再在合路系统中设定衰减器的衰减量为La、噪声发生器产生的噪声功率谱密度为则合路系统输出含噪信号载噪比CN0'，即完成载噪比标定。本发明考虑合路系统中的衰减器、合路器及线缆的噪声系数对噪声功率谱密度的影响，较大程度减小载噪比标定误差，提高了载噪比标定精确度，解决了现有技术中的问题。
Description
技术领域
本发明属于电子信息工程及航天工程技术领域，涉及一种高精度定信变噪方式的载噪比标定方法。
背景技术
在电子信息工程及航天工程领域，通常会涉及对具有预先标定载噪比的模拟信号进行分析、处理及测试，这就需要用载噪比标定方法来设计并产生具有确定载噪比的信号。要实现载噪比标定，需要预先搭建纯信号与噪声的合路系统。该合路系统的组成一般包括信号发生器、噪声发生器、合路器、衰减器及同轴线缆，系统中的信号流向为：利用信号发生器产生纯信号，同时利用噪声发生器产生白噪声，纯信号与白噪声通过线缆及合路器合路后再通过衰减器输出所需的含噪信号。
目前，所普遍采用的载噪比标定方式有两种，一种是定信变噪方式，一种是定噪变信方式，本发明侧重定信变噪方式。传统的定信变噪方式的载噪比标定方法的具体做法是，固定信号发生器产生的纯信号的功率，然后根据该纯信号的功率、合路系统输出点处的预期纯信号功率、以及合路器和线缆的损耗推算出衰减器的衰减量，再根据预期纯信号功率和预期载噪比反推出预期的噪声功率谱密度，通过将衰减器衰减量、合路器损耗、线缆损耗、与预期的噪声功率谱密度级联相乘得到噪声发生器产生噪声的功率谱密度，用这些推算结果设置合路系统的信号发生器、噪声发生器及衰减器，则合路系统输出含噪信号的载噪比即标定为预期载噪比。这种载噪比标定方法计算较简单，但它忽略了合路系统中的衰减器、合路器、及线缆的噪声系数对噪声功率谱密度的影响，这使得针对预期纯信号功率较小的情况，所标定的载噪比相比含噪信号的真实载噪比误差较大，对实际工程应用造成显著影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，考虑合路系统中的衰减器、合路器及线缆的噪声系数对噪声功率谱密度的影响，较大程度减小载噪比标定误差，提高了载噪比标定精确度，解决了现有技术中的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，具体按照以下步骤进行：
S1，搭建纯信号与噪声的合路系统，所述合路系统包括信号发生器、噪声发生器、合路器、衰减器及线缆；信号发生器的输出口、噪声发生器的输出口分别通过线缆与合路器连接，合路器通过线缆与衰减器连接，衰减器通过线缆输出含噪信号；
S2，确定合路系统中信号发生器产生的纯信号功率预期纯信号功率Ps及预期载噪比CN0；
S3，根据合路器和对应线缆的损耗确定衰减器的衰减量La；
S4，根据合路系统中各器件等效至噪声发生器输出口的噪声功率谱密度、预期载噪比CN0、以及各器件的损耗，确定噪声发生器所产生噪声的功率谱密度
S5，在合路系统中设定信号发生器产生的纯信号功率与步骤S2的确定值相同；再根据步骤S3、S4的确定结果，依次在合路系统中设定衰减器的衰减量为La、噪声发生器产生的噪声功率谱密度为则合路系统输出含噪信号载噪比CN0'，即完成载噪比标定。
进一步的，所述S1中，合路系统的信号流向为：信号发生器产生纯信号，同时噪声发生器产生白噪声，纯信号通过第一线缆、白噪声通过第二线缆均输入合路器，合路器输出的含噪信号经第三线缆输入衰减器实现含噪信号的衰减，再通过第四线缆输出所需含噪信号。
进一步的，所述S2，具体按照以下步骤进行：
S21，根据信号发生器产生纯信号的功率范围和噪声发生器的最小输出噪声功率确定信号发生器产生的纯信号功率
S22，根据实际工程需求确定预期纯信号功率Ps和预期载噪比CN0。
进一步的，所述S3中，衰减器的衰减量La根据下式计算：
其中，Lw1表示第一线缆的损耗，Lw3表示第三线缆的损耗，Lw4表示第四线缆的损耗，Lc表示合路器的损耗。
进一步的，所述S4中，合路系统中各器件等效至噪声发生器输出口的噪声功率谱密度，具体确定过程如下：
第一线缆的噪声功率谱密度kTw1等效至合路器入口处变为与合路器的噪声功率谱密度kTc结合后变为再反推至噪声发生器输出口，得到第一线缆和合路器等效至噪声发生器输出口的噪声功率谱密度Nw1,c，
其中，k为波尔茨曼常数，Tw1为第一线缆的噪声温度，Tc为合路器的噪声温度，Lw2表示第二线缆的损耗；
第二线缆等效至噪声发生器输出口的噪声功率谱密度Nw2，根据式Nw2＝kTw2计算，其中Tw2为第二线缆的噪声温度；
第三线缆等效至噪声发生器输出口的噪声功率谱密度Nw3，根据式Nw3＝kTw3LcLw2计算，其中Tw3为第三线缆的噪声温度；
衰减器等效至噪声发生器输出口的噪声功率谱密度Na，根据式Na＝kTaLw3LcLw2计算，其中Ta为衰减器的噪声温度；
第四线缆等效至噪声发生器输出口的噪声功率谱密度Nw4，根据式Nw4＝kTw4LaLw3LcLw2计算，其中Tw4为第四线缆的噪声温度。
进一步的，所述S4中，噪声发生器所产生噪声的功率谱密度的确定方法：
各器件等效至噪声发生器输出口的噪声功率谱密度推算至合路系统输出点，即得：由上式求解出噪声发生器所产生噪声的功率谱密度
进一步的，所述第一线缆、第二线缆、第三线缆、第四线缆均为同轴线缆。
本发明的有益效果是，本发明高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，在确定合路系统中噪声发生器所产生噪声的功率谱密度时，考虑了衰减器、合路器以及线缆的噪声系数的影响，从而得到更加精确的噪声功率谱密度，使得合路系统输出含噪信号的载噪比更加接近预期载噪比。与现有传统的定信变噪方式载噪比标定方法相比，本发明明显减小了载噪比标定误差，显著提高了载噪比标定精确度。能够提高电子信息工程、航天工程等相关工程领域的工程设计及测试试验的精确性、可靠性，从而降低工程设计以及产品性能测试中的误差，提高工程设计效率，提升工程设计及产品设计的质量。
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地介绍，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是本发明实施例的流程图。
图2是纯信号与噪声的合路系统及信号流向图。
图3是本发明方法与传统方法对于噪声发生器所产生噪声的功率谱密度的对比图。
图4是本发明方法与传统方法的载噪比标定理论误差对比图。
1.第一线缆，2.第二线缆，3.第三线缆，4.第四线缆，5.信号发生器，6.噪声发生器，7.合路器，8.衰减器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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。
实施例
本发明高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，如图1所示，具体按照以下步骤进行：
S1，搭建纯信号与噪声的合路系统，见图2；该合路系统包括信号发生器5、噪声发生器6、合路器7、衰减器8、及同轴线缆，信号发生器5的输出口、噪声发生器6的输出口分别通过线缆与合路器7连接，合路器7通过线缆与衰减器8连接；系统中的信号流向为：信号发生器5产生纯信号(对应图2的A点处)，同时噪声发生器6产生白噪声(对应图2的B点处)，纯信号通过第一线缆1、白噪声通过第二线缆2均输入合路器7，合路器7输出的含噪信号经第三线缆3输入衰减器8实现含噪信号的衰减，再通过第四线缆4输出所需含噪信号(对应图2的C点处)。
合路系统中各器件包括第一线缆1、第二线缆2、第三线缆3、第四线缆4、合路器7为无源器件，其损耗可预先由实测得到或由器件供应商提供，衰减器8的调节范围和调节步进量可由供应商提供，衰减器8的衰减量(即损耗)根据实际需求设定，上述各器件的噪声系数F与损耗L在数值上相等，噪声温度T通过式(1-1)计算得到：
T＝290×(F-1) (1-1)
其中，F为噪声系数，T为噪声温度，式(1-1)中的F与T分别指同一器件的噪声系数与噪声温度；例如，根据式Tw1＝290×(Fw1-1)可求得第一线缆1的噪声温度Tw1，Fw1表示第一线缆1的噪声系数，Fw1在数值上与第一线缆1的损耗Lw1相等。
S2，确定信号发生器5产生的纯信号功率预期纯信号功率Ps及预期载噪比CN0；
S21，根据信号发生器5产生纯信号的功率范围和噪声发生器6的最小输出噪声功率确定信号发生器5产生的纯信号功率(对应图2中的A点)；
S22，根据实际工程需求确定预期纯信号功率Ps(对应图2中C点的纯信号功率)和预期载噪比CN0(对应图2中C点的载噪比)。
S3，根据合路器7和线缆的损耗确定衰减器8的衰减量La，由式(1-2)计算：
其中，Lw1表示第一线缆1的损耗，Lw3表示第三线缆3的损耗，Lw4表示第四线缆4的损耗，Lc表示合路器7的损耗。
S4，根据合路系统中各器件等效至噪声发生器6输出口(对应图2中的B点)的噪声功率谱密度、预期载噪比CN0、以及各器件的损耗，解算噪声发生器6所产生噪声的功率谱密度
每个器件的噪声功率谱密度等于波尔茨曼常数k乘以该器件的噪声温度T，而器件的噪声温度T可按(1-1)式直接确定。根据预先测定或由器件供应商提供的每个器件的噪声系数F可计算出每个器件的噪声功率谱密度，再根据每个器件的损耗及该器件在合路系统中的连接关系可推算出该器件等效至合路系统的噪声发生器6输出口(图2中的B点)的噪声功率谱密度。
如下分别计算各个器件等效至B点的噪声功率谱密度：
S41，计算第二线缆2等效至B点处的噪声功率谱密度Nw2：
Nw2＝kTw2 (1-3)
S42，计算第一线缆1和合路器7等效至B点的噪声功率谱密度Nw1,c：
第一线缆1的噪声功率谱密度kTw1等效至合路器7入口处变为与合路器7的噪声功率谱密度kTc结合后变为再反推至B点得到噪声功率谱密度Nw1,c：
S43，计算第三线缆3等效至B点的噪声功率谱密度Nw3：
第三线缆3的噪声功率谱密度kTw3依次经由合路器7、第二线缆2反推至B点得到噪声功率谱密度Nw3：
Nw3＝kTw3LcLw2 (1-5)
S44，计算衰减器8等效至B点的噪声功率谱密度Na：
衰减器8的噪声功率谱密度kTa依次经由第三线缆3、合路器7、第二线缆2反推至B点得到噪声功率谱密度Na：
Na＝kTaLw3LcLw2 (1-6)
S45，计算第四线缆4等效至B点的噪声功率谱密度Nw4：
第四线缆4的噪声功率谱密度kTw4依次经由衰减器8、第三线缆3、合路器7、第二线缆2反推至B点得到噪声功率谱密度Nw4：
Nw4＝kTw4LaLw3LcLw2 (1-7)
其中，k为波尔茨曼常数，且k＝1.3806505×10-23J/K；Lw1表示第一线缆1的损耗，Lw2表示第二线缆2的损耗；Lw3表示第三线缆3的损耗，Lw4表示第四线缆4的损耗，Lc表示合路器7的损耗；Tw1为第一线缆1的噪声温度，Tw2为第二线缆2的噪声温度，Tw3为第三线缆3的噪声温度，Tw4表示第四线缆4的噪声温度，Tc表示合路器7的噪声温度，Ta表示衰减器8的噪声温度；合路系统中各器件等效至噪声发生器6输出口的噪声功率谱密度没有其它等效方式。
S46，令待求解的噪声发生器6所产生噪声的功率谱密度为由合路系统B点的合成噪声功率谱密度推算至合路系统输出点C点可获得式(1-8)：
由式(1-8)求解出噪声发生器所产生噪声的功率谱密度见式(1-9)：
S5，在合路系统中设定信号发生器5产生的纯信号功率与步骤S2的确定值相同，再根据步骤S3、S4的确定结果，依次在合路系统中设定衰减器8的衰减量为La、噪声发生器6产生的噪声功率谱密度为则合路系统输出含噪信号载噪比CN0'(C点)，即完成载噪比标定。
本发明高精度定信变噪方式的载噪比标定方法的原理分析：
传统的定信变噪方式的载噪比标定方法中针对合路系统中信号发生器5产生的纯信号功率与衰减器8的衰减量设置结果与上述结果一致，但噪声发生器6所产生噪声的功率谱密度设置为：与本发明方法不同。这是由于传统方法在计算噪声发生器6所产生噪声的功率谱密度时仅考虑到衰减器8衰减量La、合路器7损耗Lc、线缆损耗(Lw2、Lw3、Lw4)及预期载噪比CN0，并未考虑到各器件的噪声系数的影响；这使得传统标定方法只是一种近似的标定方法，其标定结果相比真实载噪比在理论上就有不可避免的误差，尤其针对预期纯信号功率Ps较小的情况时，这种误差就会体现的比较明显，因为预期纯信号功率Ps越小，式(1-9)中越小，该项与后面几项Nw2,Nw1,c,Nw3,Na,Nw4为相减关系，第一项越小，整体结果受后面几项的影响就越大；此外，随着预期载噪比CN0的增大，式(1-9)中变小，从而使得受后Nw2,Nw1,c,Nw3,Na,Nw4的影响增大；由于传统方法不考虑Nw2,Nw1,c,Nw3,Na,Nw4，则其误差也就越大，对实际工程应用造成显著影响；在预期纯信号功率Ps在10-11mW(即-110dBm)以下，预期载噪比CN0在104.0(即40dBHz)以上的应用场景中，本发明载噪比标定方法的优势非常明显。
本发明在计算合路系统中噪声发生器6所产生噪声的功率谱密度时，考虑到了衰减器8、合路器7、以及线缆的噪声系数的影响，由此得到更加精确的噪声功率谱密度，使得合路系统的输出含噪信号的载噪比更加接近预期载噪比，可实现载噪比标定理论误差为零，所以本发明方法是一种较优的载噪比标定方法。
本发明高精度定信变噪方式的载噪比标定方法的技术效果验证：
为了进一步表明本发明方法的优势，如下设计仿真实例对本发明方法与传统方法的载噪比标定的理论误差做仿真。
仿真条件：
设置如下参数：预期纯信号功率(C点处)Ps＝10-11.5mW(按分贝表示为：-115dBm)，信号发生器5产生的纯信号功率(A点处)(按分贝表示为：10dBm)，第一线缆1、第二线缆2、第四线缆4及合路器7的损耗均设为100.3(按分贝表示为：3dB)，即Lw1＝Lw2＝Lw4＝Lc＝100.3，第三线缆3损耗Lw3＝100.2(按分贝表示为：2dB)，预期载噪比分别设置为：CN0＝[104.0,104.3,104.6,104.9,105.2,105.5,105.8](按分贝表示分别为：[40dBHz，43dBHz，46dBHz，49dBHz，52dBHz，55dBHz，58dBHz])。根据上述参数，按照前述步骤S3求解衰减器8的衰减量La。
仿真内容：
1)按照上述仿真条件设置，利用本发明方法计算合路系统中的噪声发生器6所产生噪声的功率谱密度然后按照信号与噪声在合路系统的信号传输理论关系计算合路系统在载噪比标定点C点处的理论载噪比，计算理论载噪比与预期载噪比的比值再换算为分贝绝对值的形式，获得本发明方法的载噪比标定的理论误差Err1(单位：dBHz)，具体表示为：
其中，为本发明方法标定的合路系统C点的载噪比，CN0为C点处的预期载噪比。
2)按照上述仿真条件设置，利用传统定信变噪方式的载噪比标定方法计算合路系统中的噪声发生器所产生噪声的功率谱密度然后按照信号与噪声在合路系统的信号传输理论关系计算合路系统在载噪比标定点C点处的理论载噪比，计算理论载噪比与预期载噪比的比值再换算为分贝绝对值的形式，获得传统方法的载噪比标定的理论误差Err2(单位：dBHz)，具体表示为：
其中，为传统方法标定的合路系统C点的载噪比，CN0为C点处的预期载噪比。
3)将本发明方法与传统方法所得的噪声发生器6所产生噪声的功率谱密度相对于预期载噪比CN0的变化曲线绘制于图3，并将载噪比标定的理论误差Err1和Err2相对于预期载噪比CN0的变化曲线绘制于图4。
由图3可见，对于噪声发生器6产生噪声的功率谱密度，随着预期载噪比CN0的增大，本发明方法与传统方法的结果差异越来越明显，与上述理论分析相吻合；这种差异最终体现在图4的载噪比标定理论误差的不同，针对所设定的预期载噪比，本发明方法的载噪比标定理论误差始终为零，而传统方法的载噪比标定理论误差随着预期载噪比的增大而增大；该仿真结果表现了本发明方法在载噪比标定上的高精度特性。
电子信息工程、航天工程等相关工程领域的工程设计及测试实验阶段，均会涉及对具有预先标定载噪比的模拟信号进行分析、处理及测试，必然需要用载噪比标定方法来设计并产生具有确定载噪比的信号；尤其在卫星通信领域，多数情况下预期纯信号功率较小，在电子信息工程领域针对微弱信号的接收和处理，预期纯信号功率也通常较小。本发明的优势主要在于将信号系统分析方法与噪声原理深入结合，应用到信号与噪声的合路系统中，精确分析出各个器件的等效噪声功率谱密度，并将其用于修正噪声发生器6的实际输出功率谱密度，从而消除了传统方法中载噪比标定上固有的理论误差，较大程度上提高了载噪比标定精度，从而降低工程设计以及产品性能测试中的误差，提高工程设计效率，提升工程设计及产品设计的质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
S1，搭建纯信号与噪声的合路系统，所述合路系统包括信号发生器(5)、噪声发生器(6)、合路器(7)、衰减器(8)及线缆；信号发生器(5)的输出口、噪声发生器(6)的输出口分别通过线缆与合路器(7)连接，合路器(7)通过线缆与衰减器(8)连接，衰减器(8)通过线缆输出含噪信号；
S2，确定合路系统中信号发生器(5)产生的纯信号功率预期纯信号功率Ps及预期载噪比CN0；
S3，根据合路器(7)和对应线缆的损耗确定衰减器(8)的衰减量La；
S4，根据合路系统中各器件等效至噪声发生器(6)输出口的噪声功率谱密度、预期载噪比CN0、以及各器件的损耗，确定噪声发生器(6)所产生噪声的功率谱密度
S5，在合路系统中设定信号发生器(5)产生的纯信号功率与步骤S2的确定值相同；再根据步骤S3、S4的确定结果，依次在合路系统中设定衰减器(8)的衰减量为La、噪声发生器(6)产生的噪声功率谱密度为则合路系统输出含噪信号载噪比CN0'，即完成载噪比标定。
2.根据权利要求1所述的一种高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，其特征在于，所述S1中，合路系统的信号流向为：信号发生器(5)产生纯信号，同时噪声发生器(6)产生白噪声，纯信号通过第一线缆(1)、白噪声通过第二线缆(2)均输入合路器(7)，合路器(7)输出的含噪信号经第三线缆(3)输入衰减器(8)实现含噪信号的衰减，再通过第四线缆(4)输出所需含噪信号。
3.根据权利要求2所述的一种高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，其特征在于，所述S2，具体按照以下步骤进行：
S21，根据信号发生器(5)产生纯信号的功率范围和噪声发生器(6)的最小输出噪声功率确定信号发生器(5)产生的纯信号功率
S22，根据实际工程需求确定预期纯信号功率Ps和预期载噪比CN0。
4.根据权利要求3所述的一种高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，其特征在于，所述S3中，衰减器(8)的衰减量La根据式(2)计算：
其中，Lw1表示第一线缆(1)的损耗，Lw3表示第三线缆(3)的损耗，Lw4表示第四线缆(4)的损耗，Lc表示合路器(7)的损耗。
5.根据权利要求4所述的一种高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，其特征在于，所述S4中，合路系统中各器件等效至噪声发生器(6)输出口的噪声功率谱密度，具体确定过程如下：
第一线缆(1)的噪声功率谱密度kTw1等效至合路器(7)入口处变为与合路器(7)的噪声功率谱密度kTc结合后变为再反推至噪声发生器(6)输出口，得到第一线缆(1)和合路器(7)等效至噪声发生器(6)输出口的噪声功率谱密度Nw1,c，见式(4)：
其中，k为波尔茨曼常数，Tw1为第一线缆(1)的噪声温度，Tc为合路器(7)的噪声温度，Lw2表示第二线缆(2)的损耗；
第二线缆(2)等效至噪声发生器(6)输出口的噪声功率谱密度Nw2，根据式Nw2＝kTw2计算，其中Tw2为第二线缆(2)的噪声温度；
第三线缆(3)等效至噪声发生器(6)输出口的噪声功率谱密度Nw3，根据式Nw3＝kTw3LcLw2计算，其中Tw3为第三线缆(3)的噪声温度；
衰减器(8)等效至噪声发生器(6)输出口的噪声功率谱密度Na，根据式Na＝kTaLw3LcLw2计算，其中Ta为衰减器(8)的噪声温度；
第四线缆(4)等效至噪声发生器(6)输出口的噪声功率谱密度Nw4，根据式Nw4＝kTw4LaLw3LcLw2计算，其中Tw4为第四线缆(4)的噪声温度。
6.根据权利要求5所述的一种高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，其特征在于，所述S4中，噪声发生器(6)所产生噪声的功率谱密度的确定方法：
各器件等效至噪声发生器(6)输出口的噪声功率谱密度推算至合路系统输出点，即得式(8)：
由式(8)求解出噪声发生器所产生噪声的功率谱密度见式(9)：
7.根据权利要求2所述的一种高精度定信变噪方式的载噪比标定方法，其特征在于，所述第一线缆(1)、第二线缆(2)、第三线缆(3)、第四线缆(4)均为同轴线缆。
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