CN110995378A - 一种噪声系数测量不确定度计算器及误差分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种噪声系数测量不确定度计算器及误差分析方法,属于测试技术领域。本发明提供了一个直观的集成计算器用户接口,提高了噪声系数测量不确定度计算效率;直观的图形化显示清晰展示整个噪声系数测量结果不确定度随误差因素变化趋势,能够快速识别出对整个测量不确定度影响最大的元件,为用户降低测量不确定性、提高测量精度提供了灵活可靠的量化分析工具;本发明提供的内置Y因子法噪声系数测量不确定度计算器,实现任意测量配置中的不确定度计算,能有效解决用户对Y因子法噪声系数测量结果不确定度快速计算、对影响因素的量化、分析与评估的难题;使复杂计算简单化、专业用户通用化,极大提高了噪声系数测量不确定度计算效率,方便用户对噪声系数测量体系方案进行优化选择。
Description
技术领域
本发明属于测试技术领域,具体涉及一种噪声系数测量不确定度计算器及误差分析方法。
背景技术
卫星通讯和移动通信系统市场的快速增长,大大增加了对低噪声集成和分离半导体器件的需求,但同时也为测量过程中降低噪声系数测量不确定度带来了不小的压力。目前没有一种直观灵活的有效集成工具能满足用户对噪声系数测量不确定度计算的需求。
此外,卫星和无线通信市场的迅猛发展也带动了用户对整体系统性能的更高需求,同时,子系统以及元器件的噪声系数测量与性能也急需进一步改善。为了降低噪声系数,首先就要全面地了解元器件、子系统和测试装置的不确定度,因此,有效分析并降低测量过程的不确定度具有非常重要的意义。
测量不确定度是噪声系数测量的一个关键参数,较低的测量不确定度能够提供更高的测量精度,尤其对极低噪声系数的被测件(DUT)测量尤为重要。在研发领域,高测试精度可以保证设计仿真和真实测量之间具有很高的可复验性,并有助于发现在仿真过程中未予以考虑的噪声来源。在生产和制造领域,高测试精度意味着在设定和验证器件的技术指标时可以把指标的余量设定得更小,技术指标更高,市场竞争力更大。但是在进行被测件的噪声系数测量时,往往有很多因素会影响整个噪声系数测量结果的不确定度。在产品设计和生产制造过程中,噪声系数测量非常重要的一点就是要选择一种能把影响整个噪声系数不确定度因素中最主要因素的影响降到最小的方法,如何清晰地理解这些因素对全部测量不确定度的影响非常必要。但目前还没有一种简单、灵活、有效的集成工具能满足对噪声系数测量不确定度计算以及对这些未知因素的量化和分析的需求。
目前非专业用户很难实现对噪声系数测量不确定度的计算,没有一种直观工具供其选择。对熟悉并理解噪声系数测量,具有一定的专业知识的用户,通常都是对误差影响因素分离手动计算,或者在计算机中使用Excel表编制专业计算公式得到计算结果,但无法直接对各误差因素的影响进行定量或定性的趋势分析与评估。
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测量不确定度计算器及误差分析方法,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:
一种噪声系数测量不确定度计算器,包括参数输入模块、不确定度计算模块以及不确定项图形量化分析工具;
其中,参数输入模块,包括三个参数输入区:噪声源、被测件和测试仪器相关参数的输入区,实现噪声系数测量不确定度计算的已知参数输入;
其中,噪声源参数信息包括噪声源类型、噪声源超噪比(ENR)不确定度dENR和匹配;
被测件参数信息包括被测件噪声系数F1、被测件已修正增益G1、输入匹配、输出匹配和变频器件类型选择;
测试仪器参数信息包括测试仪器未修正噪声系数F2、噪声系数测量不确定度dInstrNF、增益不确定度dInstrGain和输入匹配;
噪声源参数信息和测试仪器不确定度指标由设备制造厂家的指标参数提供;被测件噪声系数F1、被测件已修正增益G1及测试仪器未修正噪声系数F2测试后手动输入,或者由噪声系数分析仪测得后通过噪声系数分析仪自动加载到输入区;
不确定度计算模块,包括不确定度贡献项描述区和总体噪声系数不确定度结果计算区;在不确定度贡献项描述区,分别描述了4种影响测量的不确定度因素贡献项及相关不确定度源,通过计算显示出相应结果;在总体噪声系数不确定度结果计算区,点击计算按钮,得到总体噪声系数测量不确定度;
不确定项图形量化分析工具,通过对x轴测量参数的选择,直观显示测量参数对测量不确定度的影响变化趋势;x轴的测量参数包括被测件噪声系数F1、被测件已修正增益G1、测试仪器未修正噪声系数F2以及各项匹配参数;其中F1、G1、F2由噪声系数分析仪通过扫描设置测量得到并自动加载到不确定项图形量化分析工具使用;一旦选定测量参数,不确定项图形量化分析工具即显示出测量参数对噪声系数不确定度影响的变化轨迹。
此外,本发明还提到一种噪声系数测量不确定度误差分析方法,具体包括如下步骤:
步骤1:连接噪声系数测试系统,测量被测件和测试仪器的噪声系数和增益;噪声系数测试系统包括噪声系数测试仪器、测量和校准时所用的噪声源以及被测件三部分;噪声系数测量不确定度计算器内置于噪声系数测试仪器中,或者置于噪声系数测试系统之外,通过GPIB接口或网络接口与噪声系数测试仪器连接进行控制;具体包括如下步骤:
步骤1.1:连接噪声源至测试仪器,测量测试仪器的未修正噪声系数F2;
步骤1.2:校准噪声系数分析仪,接入被测件,被测件的输入端连接至噪声源,被测件的输出端连接至测试仪器,测量被测件的已修正增益G1和噪声系数F1;
步骤2:计算噪声系数和增益的系数比值;
步骤3:计算失配不确定度;
根据测试系统测量连接方式,其各匹配端口分为噪声源输出端口、被测件输入端口、被测件输出端口以及测试仪器输入端口;因此,测试系统的端口失配不确定度包括:噪声源输出到被测件输入的端口失配不确定度δNS_DUT、噪声源输出到测试仪器输入的端口失配不确定度δNS_Inst和被测件输出到测试仪器输入的端口失配不确定度δDUT_Inst;
步骤4:输入端口匹配参数,计算相关阻抗匹配不确定度;
测试仪器、被测件以及噪声源的端口匹配参数能够输入,用户输入是回波损耗、电压驻波比或反射系数值;计算器通过输入值的幅值和符号自动检测此数据的类型,根据输入数据类型自动获取相应的反射系数,并使用反射系数,根据±20log(1-ρSourceρLoad)dB,计算噪声系数测试系统中各连接端面的相关端口失配不确定度值,最终得到各端口阻抗的最大匹配不确定度值;
步骤5:计算噪声系数测试系统中各不确定度项;
利用最大匹配不确定度值和噪声系数测试仪器的不确定度值,结合公式(1)、(2)、(3),计算测试系统中各不确定度项:δNF12、δNF2、δG1和δENR,并最终得出测试系统中各不确定度项结果;
其中,δNS_DUT表示噪声源输出到被测件DUT输入的端口失配不确定度;
δNS_Inst表示噪声源输出到测试仪器输入的端口失配不确定度;
δDUT_Inst表示被测件DUT输出到测试仪器输入的端口失配不确定度;
δNF12是仅包括被测件DUT和噪声系数测量仪器在内的二级级联系统的噪声系数的不确定度;
δNF2是测量仪器噪声系数的不确定度;
δG1是被测件DUT增益的不确定度;
δENR是噪声源ENR的不确定度;
步骤6:计算噪声系数测试系统整体不确定度;
采用改进的RSS统计方法,使用公式(4)得到测试系统整体噪声系数的不确定度δNF;
步骤7:不确定项图形量化分析;
选择x轴的量化分析参数,根据噪声系数分析仪不确定度分析参数的设置,自动配置x轴数据,同时计算此参数对应的整体噪声系数的不确定度值,并显示测量参数对噪声系数不确定度影响的变化轨迹。
本发明所带来的有益技术效果:
(1)本发明提供了一个直观的集成计算器用户接口,一键式计算结果输出,操作简单,对操作者的技术要求比较低,极大提高了噪声系数测量不确定度计算效率;
(2)直观的图形化显示整个噪声系数测量结果不确定度随误差因素变化趋势,能够快速识别出对整个测量不确定度影响最大的元件,给出定量范围及最佳测量不确定度方案,为用户降低测量不确定性、提高测量精度提供了灵活可靠的量化分析工具;
(3)使用范围广泛,提供的噪声系数测量不确定度计算器可内置于测量仪器内部,也可单独使用;
(4)本发明提供的内置Y因子法噪声系数测量不确定度计算器,实现任意测量配置中的不确定度计算,能有效解决用户对噪声系数测量结果不确定度快速计算、对影响因素的量化、分析与评估的难题;使复杂计算简单化、专业用户通用化,极大提高了噪声系数测量不确定度计算效率。
附图说明
图1为Y因子法噪声系数测试系统组成框图。
图2为噪声系数不确定度计算器模型框图。
图3为一种噪声系数测量不确定度误差分析方法的流程图。
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:
本发明提出的一种噪声系数测量不确定度计算器及误差分析方法,提供了一种内置一键式集成的噪声系数测量不确定度计算器和一种噪声系数测量不确定度图形量化分析工具,能有效提高用户噪声系数测量配置中的不确定度计算效率,并清楚地显示误差参数对测量不确定度的影响变化趋势,从而有利于用户制定出最佳的测量选择方案。
本发明涉及到两大部分:噪声系数测量不确定度计算器模型、噪声系数测量不确定项图形量化分析工具。
1、噪声系数不确定度计算器方案
本发明中的噪声系数不确定度计算器基于目前最常用的Y因子噪声系数测量方法,提供与特定被测件特征和测量系统技术指标有关的测量不确定度,通过一种改进的RSS方法计算整体测量不确定度。为确保Y因子测量方法中的模型精度,被测器件必须具有合理的反向隔离度,使得某个端口上的失配测量对其他端口上的阻抗没有显著影响。
一种基于Y因子法的测试系统通常包括:用于测量噪声系数的仪器、测量和校准时所用的噪声源以及被测件(DUT)三大部分,如图1所示。噪声源与被测件输入端直接相连,提供噪声源开、关两个输入噪声电平以确定DUT内部产生的噪声,从而测试获得被测件的噪声系数和标量增益。
在Y因子法噪声系数测试系统中,由仪器、噪声源、被测件和电缆引入的匹配误差都会贡献到总的测量不确定度中,这些因素虽然错综复杂却相互影响。传统的噪声系数不确定度只是简单地使用了未知统计的均方根(RSS)方法,用来描述独立非随机参量。但使用本发明中的计算器模型可以轻松确定其整体测量不确定度。
通常Y因子法噪声系数测试系统中,主要包括3种测量不确定度贡献项:失配、仪器不确定度和噪声源ENR不确定度。本发明中,这三种不确定度贡献项分别使用三种不同的标准不确定度类型,所有的参数都以对数形式表示,得到测试系统中如下不确定度项:
联合噪声源的误差贡献,用改进型的RSS法计算的整个测试系统噪声系数不确定度表示为:
其中,δNS_DUT表示噪声源输出到DUT输入的端口失配不确定度;
δNS_Inst表示噪声源输出到仪器输入的端口失配不确定度;
δDUT_Inst表示DUT输出到仪器输入的端口失配不确定度;
δNF12是二级级联系统(仅包括被测件DUT和噪声系数测量仪器)的噪声系数的不确定度;
δNF2是测量仪器噪声系数的不确定度;
δG1是DUT增益的不确定度;
δENR是噪声源ENR的不确定度;
δNF是整个测试系统噪声系数的不确定度。
本发明中的内置噪声系数不确定度计算器模型如图2所示,只要得到测试系统中各设备的特性,通过计算器模型数据输入,即可计算得到RSS不确定度结果并显示。
本发明中的计算器涵盖了测试系统中测试仪器、噪声源以及被测件相关的全部参数,主要有:噪声源相关的不确定度、测量仪器噪声系数的不确定度、测试系统噪声系数的不确定度、被测件增益及相关失配等。
实施例1:
一种噪声系数测量不确定度计算器,包括参数输入模块、不确定度计算模块以及不确定项图形量化分析工具;
其中,参数输入模块,包括三个参数输入区:噪声源、被测件和测试仪器相关参数的输入区,实现噪声系数测量不确定度计算的已知参数输入;
其中,噪声源参数信息包括噪声源类型、噪声源超噪比ENR不确定度dENR和匹配;
被测件参数信息包括被测件噪声系数F1、被测件已修正增益G1、输入匹配、输出匹配和变频器件;
测试仪器参数信息包括测试仪器未修正噪声系数F2、噪声系数测量不确定度dInstrNF、增益不确定度dInstrGain和输入匹配;
噪声源参数信息和测试仪器不确定度指标由设备制造厂家的指标参数提供;被测件噪声系数F1、被测件已修正增益G1及测试仪器未修正噪声系数F2测试后手动输入,或者由噪声系数分析仪测得后通过噪声系数分析仪自动加载到输入区;
不确定度计算模块,包括不确定度贡献项描述区和总体噪声系数不确定度结果计算区;在不确定度贡献项描述区,分别描述了4种影响测量的不确定度因素贡献项及相关不确定度源,通过计算显示出相应结果;在总体噪声系数不确定度结果计算区,点击计算按钮,得到总体噪声系数测量不确定度;
不确定项图形量化分析工具,通过对x轴测量参数的选择,直观显示测量参数对测量不确定度的影响变化趋势;x轴的测量参数包括被测件噪声系数F1、被测件已修正增益G1、测试仪器未修正噪声系数F2以及各项匹配参数;其中F1、G1、F2由噪声系数分析仪通过扫描设置测量得到并自动加载到不确定项图形量化分析工具使用;一旦选定测量参数,不确定项图形量化分析工具即显示出测量参数对噪声系数不确定度影响的变化轨迹。
实施例2:
在上述实施例1的基础上,本发明还提到一种噪声系数测量不确定度误差分析方法,其流程如图3所示,具体包括如下步骤:
步骤1:连接噪声系数测试系统,测量被测件和测试仪器的噪声系数和增益;噪声系数测试系统包括如图1所示的噪声系数测试仪器、测量和校准时所用的噪声源以及被测件三部分;噪声系数测量不确定度计算器内置于噪声系数测试仪器中,或者置于噪声系数测试系统之外,通过GPIB接口或网络接口与噪声系数测试仪器连接进行控制;具体包括如下步骤:
步骤1.1:连接噪声源至测试仪器,测量测试仪器的未修正噪声系数F2;
步骤1.2:校准噪声系数分析仪,接入被测件,被测件的输入端连接至噪声源,被测件的输出端连接至测试仪器,测量被测件的已修正增益G1和噪声系数F1;
步骤2:计算噪声系数和增益的系数比值;
步骤3:计算失配不确定度;
根据测试系统测量连接方式,其各匹配端口分为噪声源输出端口、被测件输入端口、被测件输出端口以及测试仪器输入端口;因此,测试系统的端口失配不确定度包括:噪声源输出到被测件输入的端口失配不确定度δNS_DUT、噪声源输出到测试仪器输入的端口失配不确定度δNS_Inst和被测件输出到测试仪器输入的端口失配不确定度δDUT_Inst;
步骤4:输入端口匹配参数,计算相关阻抗匹配不确定度;
测试仪器、被测件以及噪声源的端口匹配参数能够输入,用户输入是回波损耗、电压驻波比(VSWR,Voltage Standing Wave Ratio)或反射系数值;计算器通过输入值的幅值和符号自动检测此数据的类型,根据输入数据类型自动获取相应的反射系数,并使用反射系数,根据±20log(1-ρSourceρLoad)dB,计算噪声系数测试系统中各连接端面的相关端口失配不确定度值,最终得到各端口阻抗的最大匹配不确定度值;
步骤5:计算测试系统中各不确定度项;
利用最大匹配不确定度值和噪声系数测试仪器的不确定度值,结合公式(1)、(2)、(3),计算测试系统中各不确定度项:δNF12、δNF2、δG1和δENR,并最终得出测试系统中各不确定度项结果;
其中,δNS_DUT表示噪声源输出到被测件DUT输入的端口失配不确定度;
δNS_Inst表示噪声源输出到测试仪器输入的端口失配不确定度;
δDUT_Inst表示被测件DUT输出到测试仪器输入的端口失配不确定度;
δNF12是二级级联系统(仅包括被测件DUT和噪声系数测量仪器)的噪声系数的不确定度;
δNF2是测量仪器噪声系数的不确定度;
δG1是被测件DUT增益的不确定度;
δENR是噪声源ENR的不确定度;
步骤6:计算测试系统整体不确定度;
采用改进的RSS统计方法,使用公式(4)得到测试系统整体噪声系数的不确定度δNF;
步骤7:不确定项图形量化分析;
选择x轴的量化分析参数,根据噪声系数分析仪不确定度分析参数的设置,自动配置x轴数据,同时计算此参数对应的整体噪声系数的不确定度值,并显示测量参数对噪声系数不确定度影响的变化轨迹。
本发明实现了一种噪声系数测量不确定度的集成计算器模型及误差分析图例化显示,使用灵活、简单,可以显著提高了噪声系数测量不确定度计算效率,为用户降低测量不确定性、提高测量精度提供了灵活可靠的量化分析工具。
本发明的关键点和保护点有如下几项:
1)一种噪声系数测量不确定度的集成计算器模型,实现Y因子法噪声系数测量任意模式配置中的不确定度计算,包括直频测量和变频测量。
2)一种灵活直观的噪声系数测量结果不确定度与主要误差因素的图形化定量分析与评估方法,快速确定对不确定度影响更大的参数,提高测量精度。
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 (2)
1.一种噪声系数测量不确定度计算器,其特征在于:包括参数输入模块、不确定度计算模块以及不确定项图形量化分析工具;
其中,参数输入模块,包括三个参数输入区:噪声源、被测件和测试仪器相关参数的输入区,实现噪声系数测量不确定度计算的已知参数输入;
其中,噪声源参数信息包括噪声源类型、噪声源超噪比ENR不确定度dENR和匹配;
被测件参数信息包括被测件噪声系数F1、被测件已修正增益G1、输入匹配、输出匹配和变频器件类型选择;
测试仪器参数信息包括测试仪器未修正噪声系数F2、噪声系数测量不确定度dInstrNF、增益不确定度dInstrGain和输入匹配;
噪声源参数信息和测试仪器不确定度指标由设备制造厂家的指标参数提供;被测件噪声系数F1、被测件已修正增益G1及测试仪器未修正噪声系数F2测试后手动输入,或者由噪声系数分析仪测得后通过噪声系数分析仪自动加载到输入区;
不确定度计算模块,包括不确定度贡献项描述区和总体噪声系数不确定度结果计算区;在不确定度贡献项描述区,分别描述了4种影响测量的不确定度因素贡献项及相关不确定度源,通过计算显示出相应结果;在总体噪声系数不确定度结果计算区,点击计算按钮,得到总体噪声系数测量不确定度;
不确定项图形量化分析工具,通过对x轴测量参数的选择,直观显示测量参数对测量不确定度的影响变化趋势;x轴的测量参数包括被测件噪声系数F1、被测件已修正增益G1、测试仪器未修正噪声系数F2以及各项匹配参数;其中F1、G1、F2由噪声系数分析仪通过扫描设置测量得到并自动加载到不确定项图形量化分析工具使用;一旦选定测量参数,不确定项图形量化分析工具即显示出测量参数对噪声系数不确定度影响的变化轨迹。
2.一种噪声系数测量不确定度误差分析方法,具体包括如下步骤:
步骤1:连接噪声系数测试系统,测量被测件和测试仪器的噪声系数和增益;噪声系数测试系统包括噪声系数测试仪器、测量和校准时所用的噪声源以及被测件三部分;噪声系数测量不确定度计算器内置于噪声系数测试仪器中,或者置于噪声系数测试系统之外,通过GPIB接口或网络接口与噪声系数测试仪器连接进行控制;具体包括如下步骤:
步骤1.1:连接噪声源至测试仪器,测量测试仪器的未修正噪声系数F2;
步骤1.2:校准噪声系数分析仪,接入被测件,被测件的输入端连接至噪声源,被测件的输出端连接至测试仪器,测量被测件的已修正增益G1和噪声系数F1;
步骤2:计算噪声系数和增益的系数比值;
步骤3:计算失配不确定度;
根据测试系统测量连接方式,其各匹配端口分为噪声源输出端口、被测件输入端口、被测件输出端口以及测试仪器输入端口;因此,测试系统的端口失配不确定度包括:噪声源输出到被测件输入的端口失配不确定度δNS_DUT、噪声源输出到测试仪器输入的端口失配不确定度δNS_Inst和被测件输出到测试仪器输入的端口失配不确定度δDUT_Inst;
步骤4:输入端口匹配参数,计算相关阻抗匹配不确定度;
测试仪器、被测件以及噪声源的端口匹配参数能够输入,用户输入是回波损耗、电压驻波比或反射系数值;计算器通过输入值的幅值和符号自动检测此数据的类型,根据输入数据类型自动获取相应的反射系数,并使用反射系数,根据±20log(1-ρSourceρLoad)dB,计算噪声系数测试系统中各连接端面的相关端口失配不确定度值,最终得到各端口阻抗的最大匹配不确定度值;
步骤5:计算噪声系数测试系统中各不确定度项;
利用最大匹配不确定度值和噪声系数测试仪器的不确定度值,结合公式(1)、(2)、(3),计算测试系统中各不确定度项:δNF12、δNF2、δG1和δENR,并最终得出测试系统中各不确定度项结果;
其中,δNS_DUT表示噪声源输出到被测件DUT输入的端口失配不确定度;
δNS_Inst表示噪声源输出到测试仪器输入的端口失配不确定度;
δDUT_Inst表示被测件DUT输出到测试仪器输入的端口失配不确定度;
δNF12是仅包括被测件DUT和噪声系数测量仪器在内的二级级联系统的噪声系数的不确定度;
δNF2是测量仪器噪声系数的不确定度;
δG1是被测件DUT增益的不确定度;
δENR是噪声源ENR的不确定度;
步骤6:计算噪声系数测试系统整体不确定度;
采用改进的RSS统计方法,使用公式(4)得到测试系统整体噪声系数的不确定度δNF;
步骤7:不确定项图形量化分析;
选择x轴的量化分析参数,根据噪声系数分析仪不确定度分析参数的设置,自动配置x轴数据,同时计算此参数对应的整体噪声系数的不确定度值,并显示测量参数对噪声系数不确定度影响的变化轨迹。
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