CN110515020B - 一种噪声系数分析仪接收通道最佳线性增益校准补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种噪声系数分析仪接收通道最佳线性增益校准补偿方法，属于校准补偿领域。本发明降低了噪声系数分析仪接收通道最佳线性增益校准补偿调试系统的组建成本，使用噪声源就可以代替传统由信号源、功率计和功率探头、外控计算机所组成的复杂补偿系统的功能；本发明降低了接收通道最佳线性增益软件设计人员的技术要求，不要求软件编程人员具备外部程控总线通信、程控命令等相关知识；本发明基于仪器内部总线对噪声源的工作状态进行控制即可完成校准补偿，通信速率非常高，与传统的采用外部通用总线控制、由多台通用仪器组成的复杂校准补偿系统相比，可大大提高仪器补偿校准的效率。

Description

一种噪声系数分析仪接收通道最佳线性增益校准补偿方法

技术领域

本发明属于校准补偿领域，具体涉及一种噪声系数分析仪接收通道最佳线性增益校准补偿方法。

背景技术

为保证噪声系数分析仪的接收通道处于最佳线性增益状态，提高噪声系数分析仪的测量精度、范围和速度，噪声系数分析仪的中频处理电路包含一级增益连续可调的补偿电路，主要实现两个功能:

(1)通过调节整个接收通道增益的大小，保证输入到模数转换器的中频噪声功率的幅度处于模数转换器的最佳线性值区间，从而提高噪声系数的测量精度和范围；

(2)调整整个宽带接收通道的频响，保证不同测量频点端口输入测量信号的噪声功率相同时，通过接收通道的超外差混频接收和处理后输入到模数转换器的中频噪声功率相同，从而减少可变中频增益电路的切换次数，提高测量速度。

在整机的调试阶段，必须选取多个频点进行接收通道最佳线性增益校准补偿，确定补偿电路合适的增益值并保存在噪声系数分析仪中，用于测量时调用，位于校准补偿频点之间的校准值通过内插得出。

传统的接收通道最佳线性增益校准补偿系统组成如图1所示，其中参考时基基准连线保证源输出信号的频率和噪声系数分析仪的接收频率严格对准。计算机通过控制总线(如GPIB、LAN或USB等)对功率计、信号源和噪声系数分析仪的工作状态进行控制，整个校准补偿过程如下：

(1)将功率探头连接到功率计的校准端口进行校准。然后将功率探头连接到信号源的输出端口，外控计算机控制信号源和功率计，在所有校准补偿频点进行源功率校准，保证在所有校准补偿频点上信号源输出信号功率大小为P_CAL(单位为dBm)，P_CAL为噪声系数分析仪在最大增益+噪声系数测量状态时噪声系数分析仪端口输入的接收机带宽内的热噪声功率值，P_CAL由噪声系数分析仪的最大可测量增益+噪声系数：(G+NF)_MAX(单位为dB)、噪声系数分析仪接收通道的实际物理带宽B(单位为Hz)、及对应噪声源的超噪比ENR(单位为dB)确定。例如噪声系数分析仪的最大可测量增益+噪声系数等于25dB，噪声系数分析仪接收机的实际物理带宽为10MHz，噪声源的超噪比为15dB，计算出对应的源校准输出信号功率P_CAL约为-64dBm。

(2)将信号源输出连接到噪声系数分析仪的射频输入端口，源信号频率为第一个校准补偿频点，设置噪声系数分析仪的测量模式为点频模式，测量频率等于第一个校准补偿频率，测量参数为热功率，单位为dB，调整补偿电路增益，保证在校准补偿频点上，信号源输入的功率是P_CAL时，输入到模数转换器的功率位于模数转换器线性区的上限，此时对应的热功率读数为P_UP，P_UP的具体取值在噪声系数分析仪研发设计时通过测试确定。

(3)在所有校准补偿频点上重复执行校准补偿，完成整机接收通道最佳线性增益校准补偿，并保存校准值。

现有技术的缺点：

整个自动校准补偿系统的组成比较复杂，完成整个系统组建需要外配计算机、功率计和功率探头、信号源等设备，系统的组建费用较高；进行校准补偿程序设计时需要编程人员具备外部程控总线通信、程控命令等相关知识，对编程人员的要求较高；系统通过外部总线进行控制，数据的读取速度较慢，而且需要在多个频点进行校准补偿，整个校准补偿过程花费时间较长，影响生产效率。在进行噪声系数分析仪的测试和调试时，噪声源是不可或缺的设备，噪声源可以分别工作在冷激励状态和热激励状态，在这两种工作状态下噪声源的输出噪声功率是精确已知的，噪声系数分析仪本身可以对噪声源的工作状态进行控制，并且噪声源非常便宜，因此本发明的目的是使用噪声源代替整个自动校准补偿系统完成噪声系数分析仪接收通道最佳线性增益校准补偿，降低校准补偿的成本和难度，提高校准补偿速度。

使用传统的自动校准补偿系统进行噪声系数分析仪接收通道线性增益校准补偿时，在噪声系数分析仪的射频输入端口输入其在最大增益+噪声系数组合测量状态下对应的源功率P_CAL，调整补偿电路增益，保证热功率读数为模数转换器线性区上限时对应的数值P_UP，P_UP的具体取值在噪声系数分析仪研发设计时通过测试确定，即可完成校准补偿。此时，实际输入到模数转换器的信号包括源信号和噪声系数分析仪接收通道自身产生的噪声信号，但因为源信号远远大于噪声信号，此时可以不考虑噪声信号对校准精度的影响。如果使用噪声源进行校准补偿，实际输入到模数转换器的信号包括噪声源输出的噪声信号和噪声系数分析仪接收通道自身产生的噪声信号，因为噪声源输出的噪声信号功率非常小，与噪声系数分析仪自身产生的噪声信号功率相当，此时噪声系数分析仪自身产生的噪声功率不可忽略，因此本发明必须精确确定这两部分信号功率的大小，以及在此功率输入状态下接收通道处于最佳线性增益状态时校准补偿频点对应的热功率读数P_OPMfcmp，这样使用噪声源同样可以完成噪声系数分析仪接收通道最佳线性增益的校准补偿。

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系数分析仪接收通道最佳线性增益校准补偿方法，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：

一种噪声系数分析仪接收通道最佳线性增益校准补偿方法，包括如下步骤：

步骤1：确定噪声系数分析仪在校准补偿频点自身产生的噪声功率大小，用等效输入噪声温度表示，具体包括如下步骤：

步骤1.1：将噪声源连接到噪声系数分析仪的射频输入端口，输入对应噪声源的超噪比；

步骤1.2：设置噪声系数分析仪的扫描模式为点频模式，测量频率等于校准补偿频率fcmp；

步骤1.3：设置测量参数为噪声系数，显示格式为线性格式，此时的测量显示值称为本机噪声因子F_fcmp，也就是噪声系数分析仪本机噪声系数的线性值；

步骤1.4：通过本机噪声因子F_fcmp，计算获取在校准补偿频点上噪声系数分析仪对应的等效输入噪声温度TE_fcmp，如公式(1)所示：

TE_fcmp＝(F_fcmp-1)T₀ (1)；

其中，T₀称为标准噪声温度，等于290K，K为热力学温度单位；

步骤2：确定噪声源在校准补偿频点热激励输出状态下的热噪声温度Th_fcmp，具体包括如下步骤：

步骤2.1：设置噪声系数分析仪的测量参数为热功率，单位为dB；

步骤2.2：设噪声源在校准补偿频率fcmp处的超噪比为ENR_fcmp，ENR_fcmp的单位为dB，数值由噪声源厂家在定标频点上给出超噪比数据内插获得；

步骤2.3：设环境温度为Tc，单位为K；

步骤2.4：计算噪声源工作在热激励输出状态时在校准补偿频率fcmp处的热噪声温度值Th_fcmp，如公式(2)所示：

其中，T₀为标准噪声温度，等于290K，Th_fcmp的单位为K；

步骤3：确定噪声源在对应热噪声温度激励状态下，噪声系数分析仪接收通道处于最佳线性增益状态时，对应的热功率读数P_OPMfcmp，具体包括如下步骤：

步骤3.1：确定噪声系数分析仪工作在最大可测量增益+噪声系数状态，端口输入的接收带宽内的热噪声功率P_CAL，P_CAL通过等式(3)确定：

P_CAL＝-174+(G+NF)_MAX+10lg(B)+ENR (3)；

其中：

P_CAL的单位为dBm；

(G+NF)_MAX为噪声系数分析仪的最大可测量增益+噪声系数，单位为dB；

B为噪声系数分析仪接收通道的实际物理带宽，单位为Hz；

ENR为进行噪声系数测量时所使用噪声源的超噪比，单位为dB，计算时取15dB；

步骤3.2：在校准补偿频点实际输入到噪声系数分析仪接收通道模数转换器的噪声功率来自TE_fcmp和Th_fcmp这两部分功率的线性叠加组合，当噪声系数分析仪的接收通道处于最佳线性增益状态时，对应校准补偿频点的热功率读数为P_OPMfcmp，通过公式(4)计算获取：

P_OPMfcmp＝P_UP+10lgk(TE_fcmp+Th_fcmp)B-P_CAL (4)；

其中：

P_OPMfcmp的单位为dB；

P_UP为输入到模数转换器的信号功率处于其线性区间上限时对应的热噪声功率读数，单位为dB，P_UP的具体取值在噪声系数分析仪研发设计时通过测试确定；

k为玻尔兹曼常数，等于1.3806505×10^-23J/K；

TE_fcmp为噪声系数分析仪在校准补偿频率fcmp处的等效输入噪声温度，单位为K，通过公式(1)确定；

Th_fcmp为噪声源热激励状态时在校准补偿频率fcmp处的热噪声温度，单位为K，通过公式(2)确定；

B为噪声系数分析仪接收通道的实际物理带宽，单位为Hz；

P_CAL为噪声系数分析仪在最大增益+噪声系数测量状态时，噪声系数分析仪端口输入的接收带宽内的热噪声功率，通过公式(3)确定；

步骤4：调整噪声系数分析仪接收通道增益补偿电路的增益值，保证校准补偿频点的热功率读数为P_OPMfcmp，并保存对应的增益值；

步骤5：重复步骤1-4，直至完成所有频点的校准补偿。

本发明所带来的有益技术效果：

(1)本发明降低了噪声系数分析仪接收通道最佳线性增益校准补偿调试系统的组建成本，使用噪声源就可以代替传统由信号源、功率计和功率探头、外控计算机所组成的复杂补偿系统的功能。

(2)本发明降低了接收通道最佳线性增益软件设计人员的技术要求，不要求软件编程人员具备外部程控总线通信、程控命令等相关知识。

(3)本发明基于仪器内部总线对噪声源的工作状态进行控制即可完成校准补偿，通信速率非常高，与传统的采用外部通用总线控制、由多台通用仪器组成的复杂校准补偿系统相比，可大大提高仪器补偿校准的效率。

附图说明

图1为传统的接收通道最佳线性增益校准补偿系统结构图。

图2为本发明方法的流程图。

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：

一种噪声系数分析仪接收通道最佳线性增益校准补偿方法，包括如下步骤：

步骤1：确定噪声系数分析仪在校准补偿频点自身产生的噪声功率大小，用等效输入噪声温度表示，具体包括如下步骤：

步骤1.1：将噪声源连接到噪声系数分析仪的射频输入端口，输入对应噪声源的超噪比；

步骤1.2：设置噪声系数分析仪的扫描模式为点频模式，测量频率等于校准补偿频率fcmp；

步骤1.3：设置测量参数为噪声系数，显示格式为线性格式，此时的测量显示值称为本机噪声因子F_fcmp，也就是噪声系数分析仪本机噪声系数的线性值；

步骤1.4：通过本机噪声因子F_fcmp，计算获取在校准补偿频点上噪声系数分析仪对应的等效输入噪声温度TE_fcmp，如公式(1)所示：

TE_fcmp＝(F_fcmp-1)T₀ (1)；

其中，T₀称为标准噪声温度，等于290K，K为热力学温度单位；

步骤2：确定噪声源在校准补偿频点热激励输出状态下的热噪声温度Th_fcmp，具体包括如下步骤：

步骤2.1：设置噪声系数分析仪的测量参数为热功率，单位为dB；

步骤2.2：设噪声源在校准补偿频率fcmp处的超噪比为ENR_fcmp，ENR_fcmp的单位为dB，数值由噪声源厂家在定标频点上给出超噪比数据内插获得；

步骤2.3：设环境温度为Tc，单位为K；

步骤2.4：计算噪声源工作在热激励输出状态时在校准补偿频率fcmp处的热噪声温度值Th_fcmp，如公式(2)所示：

其中，T₀为标准噪声温度，等于290K，Th_fcmp的单位为K；

步骤3：确定噪声源在对应热噪声温度激励状态下，噪声系数分析仪接收通道处于最佳线性增益状态时，对应的热功率读数P_OPMfcmp，具体包括如下步骤：

步骤3.1：确定噪声系数分析仪工作在最大可测量增益+噪声系数状态，端口输入的接收带宽内的热噪声功率P_CAL，P_CAL通过等式(3)确定：

P_CAL＝-174+(G+NF)_MAX+10lg(B)+ENR (3)；

其中：

P_CAL的单位为dBm；

(G+NF)_MAX为噪声系数分析仪的最大可测量增益+噪声系数，单位为dB；

B为噪声系数分析仪接收通道的实际物理带宽，单位为Hz；

ENR为进行噪声系数测量时所使用噪声源的超噪比，单位为dB，计算时取15dB；

步骤3.2：在校准补偿频点实际输入到噪声系数分析仪接收通道模数转换器的噪声功率来自TE_fcmp和Th_fcmp这两部分功率的线性叠加组合，当噪声系数分析仪的接收通道处于最佳线性增益状态时，对应校准补偿频点的热功率读数为P_OPMfcmp，通过公式(4)计算获取：

P_OPMfcmp＝P_UP+10lgk(TE_fcmp+Th_fcmp)B-P_CAL (4)；

其中：

P_OPMfcmp的单位为dB；

P_UP为输入到模数转换器的信号功率处于其线性区间上限时对应的热噪声功率读数，单位为dB，P_UP的具体取值在噪声系数分析仪研发设计时通过测试确定；

k为玻尔兹曼常数，等于1.3806505×10^-23J/K；

TE_fcmp为噪声系数分析仪在校准补偿频率fcmp处的等效输入噪声温度，单位为K，通过公式(1)确定；

Th_fcmp为噪声源热激励状态时在校准补偿频率fcmp处的热噪声温度，单位为K，通过公式(2)确定；

B为噪声系数分析仪接收通道的实际物理带宽，单位为Hz；

P_CAL为噪声系数分析仪在最大增益+噪声系数测量状态时，噪声系数分析仪端口输入的接收带宽内的热噪声功率，通过公式(3)确定；

步骤4：调整噪声系数分析仪接收通道增益补偿电路的增益值，保证校准补偿频点的热功率读数为P_OPMfcmp，并保存对应的增益值；

步骤5：重复步骤1-4，直至完成所有频点的校准补偿。

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)

1.一种噪声系数分析仪接收通道最佳线性增益校准补偿方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：确定噪声系数分析仪在校准补偿频点自身产生的噪声功率大小，用等效输入噪声温度表示，具体包括如下步骤：

步骤1.1：将噪声源连接到噪声系数分析仪的射频输入端口，输入对应噪声源的超噪比；

步骤1.2：设置噪声系数分析仪的扫描模式为点频模式，测量频率等于校准补偿频率fcmp；

步骤1.3：设置测量参数为噪声系数，显示格式为线性格式，此时的测量显示值称为本机噪声因子F_fcmp，也就是噪声系数分析仪本机噪声系数的线性值；

步骤1.4：通过本机噪声因子F_fcmp，计算获取在校准补偿频点上噪声系数分析仪对应的等效输入噪声温度TE_fcmp，如公式(1)所示：

TE_fcmp＝(F_fcmp-1)T₀ (1)；

其中，T₀称为标准噪声温度，等于290K，K为热力学温度单位；

步骤2：确定噪声源在校准补偿频点热激励输出状态下的热噪声温度Th_fcmp，具体包括如下步骤：

步骤2.1：设置噪声系数分析仪的测量参数为热功率，单位为dB；

步骤2.2：设噪声源在校准补偿频率fcmp处的超噪比为ENR_fcmp，ENR_fcmp的单位为dB，数值由噪声源厂家在定标频点上给出超噪比数据内插获得；

步骤2.3：设环境温度为Tc，单位为K；

步骤2.4：计算噪声源工作在热激励输出状态时在校准补偿频率fcmp处的热噪声温度值Th_fcmp，如公式(2)所示：

其中，T₀为标准噪声温度，等于290K，Th_fcmp的单位为K；

步骤3：确定噪声源在对应热噪声温度激励状态下，噪声系数分析仪接收通道处于最佳线性增益状态时，对应的热功率读数P_OPMfcmp，具体包括如下步骤：

步骤3.1：确定噪声系数分析仪工作在最大可测量增益+噪声系数状态，端口输入的接收带宽内的热噪声功率P_CAL，P_CAL通过等式(3)确定：

P_CAL＝-174+(G+NF)_MAX+10lg(B)+ENR (3)；

其中：

P_CAL的单位为dBm；

(G+NF)_MAX为噪声系数分析仪的最大可测量增益+噪声系数，单位为dB；

B为噪声系数分析仪接收通道的实际物理带宽，单位为Hz；

ENR为进行噪声系数测量时所使用噪声源的超噪比，单位为dB，计算时取15dB；

步骤3.2：在校准补偿频点实际输入到噪声系数分析仪接收通道模数转换器的噪声功率来自TE_fcmp和Th_fcmp这两部分功率的线性叠加组合，当噪声系数分析仪的接收通道处于最佳线性增益状态时，对应校准补偿频点的热功率读数为P_OPMfcmp，通过公式(4)计算获取：

P_OPMfcmp＝P_UP+10lgk(TE_fcmp+Th_fcmp)B-P_CAL (4)；

其中：

P_OPMfcmp的单位为dB；

P_UP为输入到模数转换器的信号功率处于其线性区间上限时对应的热噪声功率读数，单位为dB，P_UP的具体取值在噪声系数分析仪研发设计时通过测试确定；

k为玻尔兹曼常数，等于1.3806505×10^-23J/K；

TE_fcmp为噪声系数分析仪在校准补偿频率fcmp处的等效输入噪声温度，单位为K，通过公式(1)确定；

Th_fcmp为噪声源热激励状态时在校准补偿频率fcmp处的热噪声温度，单位为K，通过公式(2)确定；

B为噪声系数分析仪接收通道的实际物理带宽，单位为Hz；

P_CAL为噪声系数分析仪在最大增益+噪声系数测量状态时，噪声系数分析仪端口输入的接收带宽内的热噪声功率，通过公式(3)确定；

步骤4：调整噪声系数分析仪接收通道增益补偿电路的增益值，保证校准补偿频点的热功率读数为P_OPMfcmp，并保存对应的增益值；

步骤5：重复步骤1-4，直至完成所有频点的校准补偿。

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