Дипломная работа: Измеритель коэффициента шума

·        погрешность за счет неточности определения потерь в линии передачи и нестабильности потерь в разъемах;

·        погрешность, вызванная неопределенностью распределения температуры.

Высокотемпературные генераторы шума

Основу конструкции подобных генераторов составляет согласованная нагрузка, нагретая до относительно высокой температуры. Для хорошего согласования нагрузка выполняется в виде объемного и пленочного поглотителя. Непосредственно на волноводе с нагрузкой размещен нагреватель в виде нагревательных спиралей. За счет различной плотности намотки спирали вдоль волновода достигается необходимая равномерность распределения температуры вдоль поглотителя.

Волновод с нагревателем помещен в цилиндрический тепловой экран. Пространство между кожухом генератора и экраном, заполнено изолирующим материалом. В конструкции поглотителя размещены термопары для измерения и автоматического регулирования постоянства температуры.

При нагреве согласованной нагрузки она создает шумовое излучение. Спектральная плотность мощности шума такого генератора при одинаковой температуре вдоль поглотителя и отсутствии потерь в волноводе от поглотителя до выхода прямо пропорциональна абсолютной температуре поглотителя. Так как данные условия трудно выполнимы, аттестация высокотемпературных генераторов шума, так же как и низкотемпературных, производится экспериментально-теоретическим методом.

Основными составляющими погрешности ВГШ являются:

·        погрешность аппаратуры для автоматической стабилизации температуры ();

·        погрешность измерения температуры ();

·        погрешность за счет неравномерности температуры вдоль поглотителя ();

·        погрешность внесения поправки на потери в волноводе ().

Общая погрешность высокотемпературного генератора шума определяется суммой частных погрешностей, являющихся случайными и не зависящими друг от друга:

 (4.14)

Анализ абсолютных значений составляющих погрешности показывает, что наибольший вклад в общую погрешность вносит составляющая, обусловленная учетом потерь в волноводе. Уменьшение этой погрешности возможно лишь при изготовлении волновода из неферромагнитного материала с проводимостью, большей проводимости никеля. Наиболее подходящим для этой цели является золото. Особенно большое значение этот фактор приобретает при повышении рабочей частоты, когда потери волновода значительно возрастают.

Высокотемпературные генераторы шума используются в широком диапазоне частот - вплоть до коротковолновой части миллиметровых волн.

4.3.4 Полупроводниковые генераторы шума

Из генераторов шума на полупроводниковых приборах наибольшее применение в практике измерений находят генераторы на лавинно-пролетном диоде (ЛПД). Конструктивно они состоят из ЛПД и генераторной секции, служащей для согласования входного сопротивления p-n-перехода с сопротивлением нагрузки. Источником шумового излучения в ЛПД являются дробовые флуктуации тока насыщения диода и флуктуации коэффициента умножения лавины. Мощность, отдаваемая диодом в нагрузку, определяется выражением:

, (4.15)

где  - минимальная мощность шумов, отдаваемая диодом в согласованную с его внутренним сопротивлением нагрузку;

 - коэффициент передачи мощности от p-n-перехода в нагрузку;

 - спектральная плотность флуктуации тока диода;

 - сопротивление p-n-перехода диода;

 - сопротивление растекания диода.

Генераторы шума перекрывают дециметровый и сантиметровый диапазоны волн. Они могут работать как в режиме непрерывных колебаний, так и в режиме импульсной модуляции при длительности импульсов от нескольких долей микросекунд и более. Генераторы имеют некоторые технико-эксплуатационные характеристики (большую СПМШ и частоту модуляции, меньшую длительность модулированных импульсов, малые габариты и массу, простую схему электрического питания) лучшие, чем у генераторов на газоразрядных трубках, но уступают последним по стабильности СПМШ и ее частотной зависимости. В таблице 4.1 приведены основные технические характеристики нескольких типов генераторов шума на лавинно-пролетном диоде.

Таблица 4.1 - Основные технические характеристики ГШ на ЛПД

1 – NoiseCom; 2 – Agilent Technologies.

4.4 Результаты обзора и анализа современных ИКШ

Выбор прототипов осуществлялся по следующим критериям:

·        ИКШ должен отвечать современным требованиям и отображать

главные принципы построения современных приборов;

·        ИКШ должен иметь перспективную конструкцию.

По этим критериям были отобраны измерители коэффициента шума серии NFA фирмы Agilent Technologies N8973A - N8975A. Приборы этой серии предназначены для измерения коэффициента и температуры шума радиоприемных устройств, коэффициента шума и передачи СВЧ усилителей, транзисторов и интегральных микросхем. Измерения коэффициента шума, коэффициента передачи и температуры шума и индикация результатов могут осуществляться как в диапазоне частот (в панораме), так и на фиксированных частотах (в точке).

Основные технические характеристики этих измерителей приведены в таблице 4.2

Таблица 4.2 - Основные технические характеристики ИКШ серии NFА

Таблица 4.3 - Технические особенности ИКШ серии NFА

Структурная схема измерителя коэффициента шума N8973A представлена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 - Структурная схема ИКШ N8973A

В преобразователе частот (блок радиоприемного тракта) спектр входного сигнала сначала переносится вверх на первую промежуточную частоту 3921,4 МГц, а затем, вниз на вторую ПЧ равную 321,4 МГц. После фильтрации паразитных каналов преобразования сигнал снова попадает на смеситель, где его спектр переносится на третью ПЧ равную 21,4 МГц. Выбор входной частоты осуществляется перестройкой синтезированного ЖИГ - генератора, который служит первым гетеродином. После этого сигнал усиливается, фильтруется и попадает в блок цифровой обработки сигнала ПЧ (ЦОС ПЧ), где оцифровывается, фильтруется и детектируется. Оцифрованный сигнал проходит через цифровой ППФ с шириной полосы пропускания 4 МГц. С выхода цифрового фильтра сигнал поступает на процессор цифровой обработки сигналов.

Блок сбора данных и управления предназначен для управления работой блока ЦОС ПЧ, перестраиваемого гетеродина, модулятора ГШ и обмена данных с ЭВМ. ЭВМ обеспечивает отображение результатов измерений и выполняет ряд вычислительных функций.

5. Выбор и обоснование структурной схемы ИКШ

5.1 Структурная схема, описание работы

При выборе схемы построения ИКШ будем опираться на результаты обзора современных измерителей коэффициента шума и технические требования, предъявляемые в задании на проектирование (диапазон рабочих частот, полоса пропускания фильтров ПЧ по уровню -3 дБ). Таким образом, структурная схема ИКШ будет выглядеть так, как показано на рисунке 1.1.

Рисунок 5.1 - Упрощенная структурная схема ИКШ

ИКШ состоит из следующих основных блоков:

·        преобразователь частоты;

·        блок синтезаторов частот;

·        ЦОС ПЧ (блок цифровой обработки сигнала ПЧ);

·        блок управления;

·        модулятор ГШ;

·        блок питания.

Преобразователь частот осуществляет перенос спектра шумового сигнала из входного диапазона 0,01…4 ГГц на промежуточную частоту, в блоке производится необходимое усиление и фильтрация сигнала. В качестве сигналов гетеродинов используются сигналы из блока синтезаторов частот.

В блоке цифровой обработки (ЦОС ПЧ) сигнал оцифровывается, фильтруется и детектируется. Блок управления предназначен для управления работой блоков ЦОС ПЧ, синтезаторов частот, модулятора ГШ и обмена данных с ЭВМ. ЭВМ обеспечивает панорамное отображение результатов измерений и выполняет ряд вычислительных функций.

Модулятор ГШ используется для управления полупроводниковым генератором шума, а также для обеспечения питания ГШ стабилизированным напряжением. Укрупненная структурная схема ИКШ представлена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 - Укрупненная структурная схема ИКШ

Для преобразователя частоты выбрана супергетеродинная схема с тройным преобразованием частоты, аналогичная примененной в преобразователе частот ИКШ N8973A фирмы Agilent. Первое преобразование выполняется при качании частоты первого гетеродина и фиксированной промежуточной частоты, во втором и третьем преобразовании - частоты гетеродинов и промежуточные частоты фиксированы. Первая промежуточная частота равна 9470 МГц, вторая 1070 МГц, третья 70 МГц. Все смесители работают на основной гармонике входного сигнала и гетеродина. Вид частотных преобразований смесителей представлен в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Частотные преобразования смесителей блока РПТ

При первом преобразовании частоты используется высокая промежуточная частота (Fпч1 = 9470 МГц), что позволяет подавить частоты зеркального канала (Fзерк = 18,95 ГГц - 26,94 ГГц) ФНЧ с фиксированной настройкой, без влияния на анализируемый входной сигнал (см. рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 - Первое преобразование частоты блока РПТ

При втором преобразовании частоты, сигнал переносится на более низкую промежуточную частоту (Fпч2 = 1070 МГц). Частота зеркального канала (Fзерк2 = 7,33 ГГц) подавляется полосовым фильтром первой промежуточной частоты (см. рисунок 5.4).

Рисунок 5.4 - Второе преобразование частоты блока РПТ

При третьем преобразовании частоты, сигнал переносится на третью промежуточную частоту (Fпч3 = 70 МГц). Частота зеркального канала (Fзерк3= 930 МГц) подавляется полосовым фильтром второй промежуточной частоты (см. рисунок 5.5).

Рисунок 5.5 - Третье преобразование частоты блока РПТ

Функциональная схема преобразователя частоты (блок радиоприемного тракта) представлена на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 - Функциональная схема преобразователя частоты (блок РПТ)

Шумовой сигнал из диапазона входных частот 10 - 4000 МГц поступает на входной управляемый аттенюатор. Входной аттенюатор предназначен для регулирования уровня мощности входного сигнала. Ослабление аттенюатора регулируется в диапазоне 0 дБ - 60 дБ с шагом 20 дБ. Усиленный малошумящим усилителем сигнал переносится вверх на частоту МГц. С помощью входного ФНЧ осуществляется подавление частот выше 5 ГГц, которые могут ввести усилители преобразователя в насыщение. На частоте  сигнал усиливается и его спектр переносится вниз на частоту МГц. Полосно-пропускающий фильтр, расположенный перед вторым смесителем подавляет паразитные каналы второго преобразования. Третий смеситель осуществляет частотное преобразование на третью промежуточную частоту МГц. На частоте  сигнал усиливается, проходит через набор переключаемых полосно-пропускающих фильтров, определяющих полосу измерения, и поступает в блок цифровой обработки, где оцифровывается, фильтруется и детектируется. На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового сигнала, которое затем обрабатывается арифметически цифровым сигнальным процессором (DSP).

5.2 Выбор элементной базы блока РПТ-04, синтезатора частот и гетеродинов

Результирующий коэффициент шума преобразователя частоты определяет собственный коэффициент шума ИКШ и не должен превышать требуемый в задании. По техническому заданию требуется обеспечить собственный коэффициент шума измерителя - не более 8 дБ. Выбор элементной базы блока РПТ-04 начнем с активных элементов.

К техническим характеристикам первого смесителя предъявляются особенно жесткие требования, так как:

· первые каскады цепи очень сильно влияют на коэффициент шума всей цепи в целом, следовательно, нужно подобрать смеситель с минимально возможными вносимыми потерями и минимально возможным значением коэффициента шума;

· требуется выбрать смеситель с достаточно хорошим подавлением комбинационных составляющих.

Что же касается второго и третьего смесителя, то к ним предъявляются менее жесткие требования. При выборе второго и третьего смесителей важно учесть вносимые потери, а также обратить внимание на их цену и доступность.

К техническим характеристикам усилителей предъявляются следующие требования:

·        возможность работы в данном диапазоне частот;

·  как можно меньший коэффициент шума;

·  достаточный коэффициент усиления;

·  доступность и низкая цена.

Технические параметры выбранных смесителей и усилителей представлены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Технические параметры активных элементов блока РПТ-04

К техническим характеристикам пассивных элементов схемы (фильтрам, аттенюаторам, переключателям) относится вносимое затухание, чем оно меньше, тем меньше значение коэффициента шума всего тракта.

Основные технические параметры выбранных пассивных элементов представлены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Основные технические параметры пассивных элементов блока РПТ-04

В качестве ФНЧ 5 ГГц используется фильтр, произведенный фирмой “Микран”. Этот фильтр специально разработан для работы в составе блока РПТ-04. В качестве ППФ 9470 МГц и ППФ 1070 МГц используются керамические фильтры, настроенные соответственно на частоты 9470 МГц и 1070 МГц, также произведенные фирмой “Микран”. ФВЧ 50 МГц и ФНЧ 100 МГц представляют собой LC фильтры. Схемы ФВЧ и ФНЧ представлены на рисунках 5.7 и 5.8 соответственно.

Рисунок 5.7 - Схема ФВЧ

Рисунок 5.8 - Схема ФНЧ

АЧХ и зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) от частоты для ФВЧ и ФНЧ представлены на рисунке 5.9. Расчет этих фильтров производился в программе СВЧ - моделирования Microwave Office 2004.

Рисунок 5.9 - АЧХ и зависимость КСВ от частоты для ФВЧ и ФНЧ

По техническому заданию требуется обеспечить следующие значения полосы пропускания фильтров ПЧ по уровню -3 дБ: 3 МГц (дополнительно 0.3 МГц). Для обеспечения двух полос измерения требуются два ППФ настроенных на одну частоту, но имеющих различные полосы пропускания. В качестве таких фильтров были выбраны ППФ на поверхностных акустических волнах (ПАВ) фирмы SAWTEK, они обладают компактными размерами и выпускаются большим количеством производителей с различными характеристиками. Многие производители выпускают серии ПАВ фильтров на 70 МГц и 140 МГц. Фильтры этих серий отличаются только полосами пропускания, поэтому значение третьей промежуточной частоты принято равным 70 МГц.

Для обеспечения технических требований, заложенных в ТЗ, при выбранной элементной базе, укрупненная функциональная схема блока РПТ-04 будет выглядеть так, как показано на рисунке 1.7.

Рисунок 5.7 - Укрупненная функциональная схема блока РПТ-04

Управляемый аттенюатор (HMC288M от 1 дБ до 14 с шагом 2 дБ) и усилители с регулируемым коэффициентом усиления (LT5514f от 0.5 дБ до 22.5 с шагом 2 дБ) позволяют регулировать коэффициент усиления тракта с более мелким шагом, чем шаг регулировки входного аттенюатора. Так как ППФ на 70 МГц вносит достаточно большие потери (20 дБ), следует включить на его выходе еще один усилитель.

Основные технические особенности выбранных синтезатора частот и гетеродинов представлены в таблице 5.4.

Таблица 5.4 - Основные технические параметры синтезатора частот и гетеродинов

Результаты расчетов собственного коэффициента шума и коэффициента усиления всего радиоприемного тракта в программе СВЧ - моделирования Microwave Office 2004 представлены на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8 - Рассчитанные амплитудные характеристики блока РПТ-04

Как видно из графика на рисунке 5.8 требование по собственному коэффициенту шума измерителя - не более 8 дБ, заложенное в ТЗ, выполняется.

6. Детектирование сигнала в ИКШ

В ИКШ сигнал ПЧ обычно конвертируется в видеосигнал (сигнал, чья частота простирается от нулевой частоты до некоторой верхней частоты, определяемой параметрами цепи) с помощью детектора огибающей. В своей простейшей форме детектор огибающей есть диод с последующей параллельной RC - цепочкой (рисунок 6.1). Выход цепи ПЧ, обычно синусоида, подается на детектор. Постоянная времени детектора такая, что напряжение на емкости равно огибающей сигнала ПЧ, то есть детектор успевает следовать за самыми быстрыми изменениями огибающей сигнала ПЧ.

Рисунок 6.1 - Детектор огибающей сигнала ПЧ

За детектором огибающей следует видеофильтр, который определяет полосу видеосигнала. Видеофильтр является фильтром низкой частоты первого порядка и используется для очистки видеосигнала от шумов. Функциональная схема, поясняющая процесс диодного детектирования, представлена на рисунке 6.2

Рисунок 6.2 - Диодное детектирование сигнала ПЧ

Многие из ИКШ имеют минимально пиковый (отбирает из выборок единственную выборку с минимальным значением), максимально пиковый (показывает максимальное значение сигнала), автоматический пиковый детекторы (обеспечивает одновременную индикацию максимального и минимального значений) и детектор выборки. Эти детекторы могут быть реализованы при использовании аналоговых схем, как показано на рисунке 6.2. На этом рисунке сигнал оцифровывается на выходе детектора.

При цифровом детектировании сигнал промежуточной частоты, пройдя через цепи нормализации, сразу подвергается аналого-цифровому преобразованию. Достоинством цифрового детектирования является высокая линейность в большом динамическом диапазоне. Функциональная схема, поясняющая процесс цифрового детектирования, представлена на рисунке 6.3

Рисунок 6.3 - Цифровое детектирование сигнала ПЧ

7. Реализация блока цифровой обработки сигнала

7.1 Структурная схема с выбором элементной базы

По техническому заданию требуется оцифровать сигнал третьей промежуточной частоты блока РПТ– 04 МГц со следующими характеристиками: динамический диапазон – 70 дБ, полоса пропускания тракта ПЧ – 3 МГц.

Структурная схема типичной системы ЦОС представлена на рисунке 7.1. Обычно, прежде чем подвергнуться реальному аналого-цифровому преобразованию, аналоговый сигнал проходит через цепи нормализации, которые выполняют такие функции, как усиление, аттенюация (ослабление) и фильтрация. Для подавления нежелательных сигналов вне полосы пропускания и предотвращения наложения спектров необходим ФНЧ или ПФ.

Рисунок 7.1 - Структурная схема блока ЦОС ПЧ

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - это устройство, которое осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. При преобразовании (или так называемом процессе дискретизации) происходит замер амплитуды сигнала, и его величина записывается в числовой двоичной форме. Величина аналогового сигнала может быть измерена с определенной точностью, которая определяется числом разрядов АЦП.

АЦП производит выборку с постоянной частотой (частотой дискретизации), которая задается внешним опорным генератором. Использование отдельного опорного генератора для АЦП является предпочтительным, поскольку сигнал внутреннего генератора может иметь высокий уровень шумов и привести к возникновению эффекта дрожания апертуры в АЦП, увеличивающего уровень шумов преобразования.

В связи с быстрым развитием технологии смешанной аналогово-цифровой обработки сигналов, АЦП и ЦАП оснащаются цепями нормализации, а также буферами памяти, специально предназначенными для связи с ПЛИС, и тем самым минимизируют или устраняют необходимость внешней поддержки интерфейса или применения интерфейсной логики.

7.1.1 Выбор АЦП и ЦАП

Общие сведения

Современная тенденция развития АЦП и ЦАП состоит в увеличении скоростей разрешающих способностей обработки сигналов при уменьшении уровня потребляемой мощности и напряжения питания. Более низкие напряжения питания подразумевают меньшие диапазоны входных напряжений и, следовательно, большую чувствительность к разного вида помехам: шумам от источников питания, некачественным опорным и цифровым сигналам, электромагнитным воздействиям и радиопомехам (EMI/RFI) и, возможно наиболее важный момент - к некачественным методам развязки, заземления и размещения компонентов на печатной плате.

Несмотря на эти проблемы, в настоящее время доступны АЦП и ЦАП, которые обладают чрезвычайно высокими разрешающими способностями при низких напряжениях питания и малой потребляемой мощности.

В реальных процессах аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования есть два ключевых этапа: дискретизация по времени и квантование по амплитуде, которые определяют разрешающую способность данных операций. Концепции дискретизации по времени и квантования по амплитуде аналогового сигнала иллюстрируются на рис. 7.2.

Рисунок 7.2 - Дискретизации по времени и квантование по уровню аналогового сигнала

Выборка непрерывных аналоговых данных должна осуществляться через интервал дискретизации , который необходим тщательно выбирать для точного представления первоначального аналогового сигнала. Ясно, что чем больше число отсчетов (более высокие частоты дискретизации), тем более точным будет представление сигнала в цифровом виде, тогда как в случае малого числа отсчетов (низкие частоты дискретизации) может быть достигнуто критическое значение частоты дискретизации, при котором теряется информация о сигнале. Это следует из известного критерия Найквиста, который требует, чтобы частота дискретизации была, по крайней мере, вдвое больше полосы сигнала, в противном случае информация о сигнале будет потеряна. Если частота дискретизации меньше удвоенной полосы аналогового сигнала, возникает эффект, известный как наложение спектров. Частотная зона Найквиста определяется как полоса спектра от 0 до . Частотный спектр разделен на бесконечное число зон Найквиста, каждая по .

Для понимания смысла наложения спектров сначала рассмотрим случай выборки с частотой  одночастотного сигнала синусоидальной формы частоты , осуществленной идеальным импульсным дискретизатором (рисунок 7.3).

Рисунок 7.3 - Пример частного спектра в случаи, когда  находится в первой зоне Найквиста

В частотном спектре на выходе дискретизатора видны гармоники исходного сигнала, повторяющиеся с частотой , то есть на частотах, равных

,

где  

Таким образом, необходимо перед АЦП осуществить фильтрацию, подавляющую компонент, частоты которых находятся вне полосы Найквиста и после дискретизации попадают в ее пределы. Рабочая характеристика фильтра будет зависеть от того, как близко частота внеполосного сигнала отстоит от  и от величины требуемого подавления.

Теперь рассмотрим случай, когда частота сигнала выходит за пределы первой зоны Найквиста (рисунок 7.4). Частота дискретизации  лишь немного больше частоты аналогового входного сигнала , что не удовлетворяет критерию Найквиста. Следует обратить внимание на то, что даже при том, что сигнал находится вне первой зоны Найквиста, его составляющая  попадает внутрь зоны.

Рисунок 7.4 - Пример частного спектра в случаи, когда  лежит за пределами первой зоны Найквиста

Искажение и шум в реальных АЦП

Дискретизация сигнала в АЦП (с интегрированным устройством выборки-хранения (УВХ)), независимо от архитектуры, проходит при наличии шумов и искажений сигнала. Широкополосному аналоговому входному буферу присущи широкополосный шум, нелинейность, конечная ширина полосы. УВХ вносит дальнейшую нелинейность, ограничение полосы и дрожание апертуры. Квантующая часть АЦП вносит шум квантования, интегральную и дифференциальную нелинейности.

Одним из важнейших для понимания положений при определении нелинейности АЦП и ЦАП является то, что передаточная функция преобразователя данных имеет особенности, которые отсутствуют в обычных линейных устройствах типа операционных усилителей (ОУ) или усилительных блоков. Полная интегральная нелинейность АЦП обусловлена интегральной нелинейностью входного буфера, УВХ и полной интегральной нелинейностью передаточной функции АЦП. Но дифференциальная нелинейность, которая присутствует исключительно вследствие цифрового кодирования, может значительно изменяться в зависимости от принципов применяемого цифрового кодирования АЦП. Полная интегральная нелинейность дает составляющие искажений, у которых амплитуда изменяется в функции амплитуды входного сигнала.

Основные технические особенности АЦП

·        Показатель сигнал/шум/искажения (SINAD или S/N+D) - отношение среднеквадратичного значения амплитуды сигнала к среднему значению корня из суммы квадратов всех других спектральных компонентов, включая гармоники, но исключая постоянную составляющую

Страницы: 1, 2, 3, 4