PL196753B1 - Sposób pomiaru parametrów szumowych liniowych czwórników elektrycznych - Google Patents

Abstract

Sposób pomiaru parametrów szumowych liniowych czwórników elektrycznych, realizowany w układzie wyposażonym we wzorcowy generator szumów oraz wzmacniacz, w którym wyznaczenie wartości liczbowej parametru szumowego przeprowadza się przez rejestrację czasowych przebiegów szumowych w kolejnych etapach pomiarowych i algorytmiczne obliczenie parametru szumowego, znamienny tym, że parametr szumowy czwórnika liniowego wyznacza się widmowo na podstawie rejestracji napięciowych przebiegów czasowych szumów un(t) uzyskanych w kolejnych etapach pomiarowych, z których w jednym wyznacza się gęstość widmową mocy szumów Gn1(f) kaskadowego połączenia wzorcowego generatora szumów (1) z wyłączonym jego aktywnym źródłem szumów (5), połączonego z badanym czwórnikiem elektrycznym (2), do którego wyjścia jest dołączony wzmacniacz pomiarowy (3) o wzmocnieniu KP(f), połączony z układem rejestracji (4), a w kolejnym etapie pomiaru wyznacza się gęstość widmową mocy Gn2(f), odpowiadającą szumom kaskadowego połączenia wzorcowego generatora szumów (1), przy włączonym jego aktywnym źródle szumów (5) o poziomie odpowiadającym rozporządzalnej gęstości widmowej mocy n-a-kT0, gdzie n jest liczbą rzeczywistą większą od 1, a parametr a zależy od rodzaju wyznaczanego parametru szumowego, połączonego z badanym czwórnikiem (2) i wzmacniaczem pomiarowym (3) oraz układem rejestracji (4), po czym w następnym etapie pomiaru wyznacza się gęstość widmową mocy Gn3(f), odpowiadającą kaskadowemu połączeniu wzmacniacza pomiarowego (3) i układu rejestracji (4), gdy na wejściu tego wzmacniacza jest dołączona impedancja (Z0), o wartości liczbowej równej liczbie zespolonej sprzężonej do liczby zespolonej będącej wartością liczbową impedancji wyjściowej badanego czwórnika (2), po czym określa się żądany parametr szumowy badanego czwórnika.

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 196753 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 351414 ^{(51) Int.Cl.}

G01R 29/26 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 28.12.2001 (54) Sposób pomiaru parametrów szumowych liniowych czwórników elektrycznych

(43) Zgłoszenie ogłoszono: 30.06.2003 BUP 13/03	(73) Uprawniony z patentu: Politechnika Gdańska,Gdańsk,PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.01.2008 WUP 01/08	(72) Twórca(y) wynalazku: Lech Hasse,Gdańsk,PL

(57) Sposób pomiaru parametrów szumowych liniowych czwórników elektrycznych, realizowany w układzie wyposażonym we wzorcowy generator szumów oraz wzmacniacz, w którym wyznaczenie wartości liczbowej parametru szumowego przeprowadza się przez rejestrację czasowych przebiegów szumowych w kolejnych etapach pomiarowych i algorytmiczne obliczenie parametru szumowego, znamienny tym, że parametr szumowy czwórnika liniowego wyznacza się widmowo na podstawie rejestracji napięciowych przebiegów czasowych szumów un(t) uzyskanych w kolejnych etapach pomiarowych, z których w jednym wyznacza się gęstość widmową mocy szumów G_n1(f) kaskadowego połączenia wzorcowego generatora szumów (1) z wyłączonym jego aktywnym źródłem szumów (5), połączonego z badanym czwórnikiem elektrycznym (2), do którego wyjścia jest dołączony wzmacniacz pomiarowy (3) o wzmocnieniu K_P(f), połączony z układem rejestracji (4), a w kolejnym etapie pomiaru wyznacza się gęstość widmową mocy G_n2(f), odpowiadającą szumom kaskadowego połączenia wzorcowego generatora szumów (1), przy włączonym jego aktywnym źródle szumów (5) o poziomie odpowiadającym rozporządzalnej gęstości widmowej mocy n-a-kT₀, gdzie n jest liczbą rzeczywistą większą od 1, a parametr a zależy od rodzaju wyznaczanego parametru szumowego, połączonego z badanym czwórnikiem (2) i wzmacniaczem pomiarowym (3) oraz układem rejestracji (4), po czym w następnym etapie pomiaru wyznacza się gęstość widmową mocy G_n3(f), odpowiadającą kaskadowemu połączeniu wzmacniacza pomiarowego (3) i układu rejestracji (4), gdy na wejściu tego wzmacniacza jest dołączona impedancja (Z0), o wartości liczbowej równej liczbie zespolonej sprzężonej do liczby zespolonej będącej wartością liczbową impedancji wyjściowej badanego czwórnika (2), po czym określa się żądany parametr szumowy badanego czwórnika.

PL 196 753 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru parametrów szumowych liniowych czwórników elektrycznych, zwłaszcza przy użyciu wzorcowego generatora szumów.

Pomiar parametrów szumowych czwórników liniowych zależnych od średniej mocy szumów, takich jak: współczynnik szumów, temperatura szumowa, równoważna rezystancja szumowa, równoważna konduktancja szumowa, czy zespół czterech parametrów szumowych, w pełni opisujących właściwości szumowe czwórnika liniowego, a niezależnych od impedancji źródła sygnału Zs, dokonuje się najczęściej za pomocą wzorcowego generatora szumu białego dołączonego do wejścia badanego czwórnika, którego wyjście jest dołączone do wzmacniacza pomiarowego, obciążonego na wyjściu wskaźnikiem mocy.

W znanym z polskiego opisu patentowego nr 117 118 sposobie, pomiar współczynnika szumów polega na wyznaczeniu współczynnika szumów na podstawie rejestracji mocy szumów w trzech etapach pomiarowych, przy czym w dwóch pierwszych etapach pomiarowych współczynnik szumów toru pomiarowego ma wartość większą o 1kT0, w porównaniu z jego wartością w trzecim etapie pomiarowym, gdzie k jest stałą Boltzmanna, natomiast T0 jest temperaturą standardową równą 290K.

W pierwszym etapie znanego sposobu pomiaru, wskaź nik mocy rejestruje poziom mocy szumów na wyjściu toru pomiarowego, składającego się z kaskadowego połączenia wzorcowego generatora szumów, przy wyłączonym jego aktywnym źródle szumów, dołączonego do badanego czwórnika, do którego wyjścia jest dołączony wzmacniacz pomiarowy wyposażony we wskaźnik mocy.

W drugim etapie tego pomiaru wskaźnik mocy rejestruje poziom mocy szumów na wyjściu toru pomiarowego, zestawionego w sposób analogiczny jak w etapie pierwszym, ale z włączonym aktywnym źródłem szumów wzorcowego generatora szumu białego, którego poziom odpowiada rozporządzalnej gęstości widmowej mocy nkT₀.

W trzecim etapie pomiaru wskaźnik mocy rejestruje poziom mocy szumów na wyjściu toru pomiarowego, w którym do wejścia wzmacniacza pomiarowego jest dołączona impedancja równa impedancji wyjściowej badanego czwórnika, a współczynnik szumów toru pomiarowego, złożonego ze wzmacniacza pomiarowego i wskaźnika mocy, ma wartość mniejszą o 1kT0 od wartości współczynnika szumów toru pomiarowego w dwóch poprzednich etapach pomiaru.

Istotą sposobu pomiaru parametrów szumowych czwórników elektrycznych według wynalazku, realizowanego w układzie wyposażonym we wzorcowy generator szumów oraz wzmacniacz i układ rejestracji przebiegów szumowych, i w którym wyznaczenie parametru szumowego przeprowadza się przez rejestrację przebiegów szumowych w kolejnych etapach pomiarowych jest to, że parametr szumowy wyznacza się widmowo na podstawie rejestracji napięciowych przebiegów czasowych szumów un(t) na wyjściu wzmacniacza pomiarowego o znanym wzmocnieniu, uzyskanych w kolejnych etapach pomiarowych, przy czym dla jednego z tych etapów wyznacza się gęstość widmową mocy szumów G_n1(f) kaskadowego połączenia wzorcowego generatora szumów z wyłączonym jego aktywnym źródłem szumów i badanego liniowego czwórnika elektrycznego, do którego wyjścia jest dołączony wzmacniacz pomiarowy o ustalonym wzmocnieniu K_P(f) i układ rejestracji, a w kolejnym etapie pomiarowym wyznacza się gęstość widmową mocy G_n2(f), odpowiadającą szumom kaskadowego połączenia wzorcowego generatora szumów, z włączonym jego aktywnym źródłem szumów o poziomie odpowiadającym rozporządzalnej gęstości widmowej mocy nkT₀, gdzie n jest liczbą rzeczywistą większą od 1, połączonego z badanym czwórnikiem i wzmacniaczem pomiarowym oraz układem rejestracji, po czym w następnym etapie pomiarowym wyznacza się gęstość widmową mocy Gn3(f), odpowiadającą szumom kaskadowego połączenia wzmacniacza pomiarowego i układu rejestracji, gdy do wejścia tego wzmacniacza jest dołączona impedancja Z0 o wartości liczbowej równej liczbie zespolonej sprzężonej do liczby zespolonej będącej wartością liczbową impedancji wyjściowej badanego czwórnika, po czym żądany widmowy parametr szumowy NB(f) badanego czwórnika przy częstotliwości /, korzystnie określa się na podstawie zależności:

NB(f) =

Gnl(fHGn3(f)-Kp(f)akTo]

Gn2(f)-Gnl(f) gdzie a jest stałą zależną od rodzaju wyznaczanego widmowego parametru szumowego, natomiast parametr szumowy NB - w badanym paśmie częstotliwości wyznaczonym przez transmitancję toru pomiarowego H(f), określa się na podstawie zależności:

PL 196 753 B1 w

Ν =J Nj(Ą H(j)) df

Sposób według wynalazku szczególnie nadaje się do określania parametrów szumowych czwórników liniowych zależnych od średniej mocy szumów w inkrementalnym paśmie częstotliwości, takich jak: widmowy współczynnik szumów, widmowa temperatura szumowa, widmowa rezystancja szumowa, czy widmowa konduktancja szumowa, ale również do określania parametrów szumowych w badanym paśmie częstotliwości wyznaczonym przez transmitancję toru pomiarowego H(f).

Pomiar według wynalazku polega na wyznaczeniu parametru szumowego widmowo na podstawie rejestracji napięciowych przebiegów czasowych szumów un(t) na wyjściu wzmacniacza pomiarowego o znanym wzmocnieniu, w kolejnych etapach pomiarowych i algorytmicznym określeniu gęstości widmowych mocy tych przebiegów. Dobranie odpowiednich warunków oraz konfiguracji układu pomiarowego w kolejnych etapach pomiarowych i zastosowanie algorytmicznego wyznaczania gęstości widmowych mocy, pozwala na wyeliminowanie wpływu szumów własnych toru pomiarowego na wynik wyznaczanych parametrów szumowych.

Sposób według wynalazku daje możliwość algorytmicznego określenia parametru szumowego badanego liniowego czwórnika elektrycznego w badanym paśmie częstotliwości, określonym przez transmitancję toru pomiarowego H(f), bez konieczności stosowania filtrów wąskopasmowych i niezależnie od sposobu rozwiązania funkcjonalnego układów pomiarowych, stosujących wzorcowe generatory szumu białego, z ich stałym lub regulowanym poziomem źródła aktywnego.

Dla prawidłowej realizacji sposobu koniecznym jest zapewnienie odpowiednich warunków rejestracji przebiegów czasowych - akwizycji cyfrowych przebiegów szumowych po ich spróbkowaniu, wykluczających zjawisko nakładania się widma przy estymacji gęstości widmowych mocy G_n1(f), Gn2(i), Gn3(i).

W przypadku pomiaru czwórników wykazujących niewielkie wzmocnienie mocy KB(f) i posiadających małą wartość parametru szumowego NB(f) lub NB, najistotniejszym źródłem błędów jest udział szumów własnych toru pomiarowego w zmierzonej wartości parametru szumowego N_m(f) lub N_m.

Zmierzony w tych warunkach widmowy parametr szumowy N_m(f) lub parametr szumowy N_m, określony w badanym paśmie częstotliwości, jest parametrem szumowym szeregowego połączenia badanego czwórnika i toru pomiarowego.

Zgodnie ze zmodyfikowaną zależnością, podaną przez Friisa, widmowy parametr szumowy może być określony zależnością;

N_m(f) = NB(f) +

Np(f)-1

KB(f) gdzie: NP(f) jest parametrem szumowym toru pomiarowego.

Sposób według wynalazku umożliwia budowę automatycznych urządzeń do pomiaru parametrów szumowych, w tym zwłaszcza dla czwórników o relatywnie bardzo niskim poziomie szumów własnych i o niewielkich wzmocnieniach.

Przykład sposobu według wynalazku jest realizowany w układzie, przedstawionym na rysunku w postaci schematu blokowego zestawu do pomiaru parametru szumowego widmowo, w którym zostaje wyeliminowany wpływ szumów własnych toru pomiarowego na wynik pomiaru.

Przedstawiony układ składa się z kaskadowego połączenia wzorcowego generatora szumów 1, badanego czwórnika 2, wzmacniacza pomiarowego 3 i układu rejestracji 4. Wzorcowy generator szumów 1 jest wyposażony w aktywne źródło szumów 5, przełączane za pomocą, przełącznika P, który jest zsynchronizowany z przełączaniem połączenia czwórnika pomiarowego 2 ze wzmacniaczem pomiarowym 3. Przełącznik P pozwala na realizację kolejnych etapów pomiarowych, w konfiguracjach układowych przewidzianych sposobem według wynalazku oraz umożliwia dołączanie impedancji Z0 o wartości liczbowej równej liczbie zespolonej sprzężonej do liczby zespolonej będącej wartością, liczbową impedancji wyjściowej badanego czwórnika 2.

W pierwszym etapie pomiarowym, przełącznik P jest ustawiony na pozycji I, z włączonym aktywnym źródłem szumów 5 wzorcowego generatora szumów 1. Wówczas na wyjściu układu rejestracji 4 estymowana gęstość widmowa mocy Gn1(f) przebiegu napięciowego un1(t), przy częstotliwości f, jest proporcjonalna do mocy szumu cieplnego źródła sygnału o impedancji Zs, szumów własnych badanego czwórnika 2 i szumów toru pomiarowego, którego parametr szumowy, w przypadku widmowego

PL 196 753 B1 współczynnika szumów, ma wartość większą o 1kT0, w porównaniu z jego wartością w trzecim etapie pomiaru, zatem:

Gni(f) = c-a-kTc[NB(f)-KB(f)+Np(f)], gdzie: k = 1,38·10^- HzK - stała Boltzmanna, T₀ = 290K - temperatura standardowa, c = stała proporcjonalna do wzmocnienia toru pomiarowego.

W kolejnym, drugim etapie pomiarowym, przełącznik p znajduje się w pozycji II, a na wejście badanego czwórnika 2 doprowadza się dodatkową moc z aktywnego źródła szumów 5 o rozporządzalnej gęstości widmowej mocy nkT₀. Wówczas na wyjściu układu rejestracji 4, estymowana gęstość widmowa mocy G_n2(f) przebiegu napięciowego u_n2(t), przy częstotliwości /, wynosi:

Gn2(f) = Gni(f) + c-a-n-kTo-K(f).

W następnym etapie pomiarowym, gdy przełącznik p jest ustawiony w położeniu III, na wejście toru pomiarowego jest dołączona impedancja Z0, o wartości liczbowej równej liczbie zespolonej, sprzężonej do liczby zespolonej będącej wartością liczbową impedancji wyjściowej badanego czwórnika 2. Wówczas na wyjściu układu rejestracji 4, estymowana gęstość widmowa mocy Gn3(f), przebiegu napięciowego u_n3(t) przy częstotliwości /, wynosi:

ności:

Gn3(f) = c-n-a-kTo-KB(f).

Stąd wartość widmowego parametru szumowego badanego czwórnika można określić z zależNB(f) =

Gni(f)-[Gn3(f)-Kp(f)-a-kTol

Gn2(f)-Gn1(f)

Wynalazek umożliwia budowę automatycznych urządzeń do pomiaru widmowych parametrów szumowych lub parametrów szumowych, wyznaczanych w określonym paśmie częstotliwości i pozwala na pomiar czwórników o niskim poziomie szumów własnych i niewielkich wzmocnieniach.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób pomiaru parametrów szumowych liniowych czwórników elektrycznych, realizowany w układzie wyposażonym we wzorcowy generator szumów oraz wzmacniacz, w którym wyznaczenie wartości liczbowej parametru szumowego przeprowadza się przez rejestrację czasowych przebiegów szumowych w kolejnych etapach pomiarowych i algorytmiczne obliczenie parametru szumowego, znamienny tym, że parametr szumowy czwórnika liniowego wyznacza się widmowo na podstawie rejestracji napięciowych przebiegów czasowych szumów un(t) uzyskanych w kolejnych etapach pomiarowych, z których w jednym wyznacza się gęstość widmową mocy szumów Gn1(f) kaskadowego połączenia wzorcowego generatora szumów (1) z wyłączonym jego aktywnym źródłem szumów (5), połączonego z badanym czwórnikiem elektrycznym (2), do którego wyjścia jest dołączony wzmacniacz pomiarowy (3) o wzmocnieniu Kp(f), połączony z układem rejestracji (4), a w kolejnym etapie pomiaru wyznacza się gęstość widmową mocy Gn2(f), odpowiadającą szumom kaskadowego połączenia wzorcowego generatora szumów (1), przy włączonym jego aktywnym źródle szumów (5) o poziomie odpowiadającym rozporządzalnej gęstości widmowej mocy n-a-kT₀. gdzie n jest liczbą rzeczywistą większą od 1, a parametr a zależy od rodzaju wyznaczanego parametru szumowego, połączonego z badanym czwórnikiem (2) i wzmacniaczem pomiarowym (3) oraz układem rejestracji (4), po czym w następnym etapie pomiaru wyznacza się gęstość widmową mocy Gn3(f), odpowiadającą kaskadowemu połączeniu wzmacniacza pomiarowego (3) i układu rejestracji (4), gdy na wejściu tego wzmacniacza jest dołączona impedancja (Z0), o wartości liczbowej równej liczbie zespolonej sprzężonej do liczby zespolonej będącej wartością liczbową impedancji wyjściowej badanego czwórnika (2), po czym określa się żądany parametr szumowy badanego czwórnika.