本發(fā)明涉及測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于噪聲系數(shù)分析儀的噪聲功率譜密度測量方法。

背景技術(shù)：

任何電子設(shè)備都會產(chǎn)生噪聲，噪聲通常是有害的，它干擾甚至淹沒有用的信號。噪聲的存在，妨礙了微波電子設(shè)備對微弱信號的檢測；噪聲測量的誤差，不可避免地對設(shè)備造成危害。為了度量微波電子設(shè)備內(nèi)部噪聲的影響，引入了噪聲系數(shù)的概念。噪聲系數(shù)是從微波電子設(shè)備對傳輸信號的信噪比的惡化程度方面來度量微波電子設(shè)備內(nèi)部的噪聲特性，但噪聲系數(shù)只適合于放大器類的雙端口線性電子設(shè)備、上下變頻器件或多級變頻接收鏈路，無法用來表征單端口電子設(shè)備、非線性電子設(shè)備的噪聲性能。

現(xiàn)有技術(shù)方案是利用頻譜分析儀測量微波電子設(shè)備的輸出功率譜密度。頻譜分析儀具備噪聲標記(markernoise)功能，用于測量1hz等效噪聲帶寬內(nèi)的噪聲功率，即噪聲功率譜密度。當選擇噪聲標記時，其顯示值即是對等效噪聲帶寬內(nèi)的功率進行了歸一化處理。

現(xiàn)有技術(shù)方案的測試框圖如圖1所示，包括如下測試步驟：

(1)如圖1連接好測試系統(tǒng)，被測件正常加電，同時打開頻譜分析儀進行必要的預熱，以獲得較高的測量精度。

對于單端口電子設(shè)備，測量時只需把被測件的輸出端直接連接到頻譜分析儀的射頻輸入端口；對于雙端口或多端口電子設(shè)備，如放大器類線性雙端口電子設(shè)備和上下變頻器以及多級變頻接收鏈路等電子設(shè)備，測量時需要在被測件的射頻輸入端口連接匹配負載。

(2)設(shè)置頻譜分析儀，按前面板硬鍵設(shè)置測試的起始頻率(startfrequency)和終止頻率(stopfrequency)。

(3)使用標記(marker)功能標記需要測量的頻率點，按標記功能(markerfctn)，選擇噪聲標記(markernoise)。

(4)如有必要，按帶寬/平均(bw/avg)鍵，將平均(average)打開，以保持讀數(shù)穩(wěn)定，記錄測量結(jié)果。

現(xiàn)有技術(shù)方案的主要缺點是：

(1)頻譜分析儀靈敏度低，通常為-150dbm左右，被測件微波電子設(shè)備輸出噪聲功率譜密度低于頻譜分析儀顯示的平均噪聲電平(danl)時，無法用頻譜分析儀測量。

(2)頻譜分析儀對信號和噪聲的響應方式不同，測量噪聲信號時需要對頻譜分析儀的分辨率帶寬和檢波方式進行修正，測量精度低，測量結(jié)果存在一定的不確定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于噪聲系數(shù)分析儀的噪聲功率譜密度測量方法，可解決單端口電子設(shè)備、非線性電子設(shè)備噪聲性能評定難題，也可解決線性電子設(shè)備在不具備噪聲系數(shù)測試條件下(比如噪聲源無法和被測設(shè)備的輸入端口直接連接時)，噪聲性能評定的難題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種基于噪聲系數(shù)分析儀的噪聲功率譜密度測量方法，包括校準過程和測量過程；還需要配備噪聲源，用作噪聲功率測量的標準激勵源，噪聲源有一個精確定標的超噪比，定義為：

式中：

enr-噪聲源的超噪比；

th-噪聲源開時的等效輸出噪聲溫度；

tc-噪聲源關(guān)時的等效輸出噪聲溫度；

t0-標準噪聲溫度290k。

在校準過程中，噪聲系數(shù)分析儀控制噪聲源關(guān)和開，測得噪聲源關(guān)和開兩種狀態(tài)下接收到的冷、熱噪聲功率，記為pc-cal和ph-cal：

pc-cal＝gnfakb(te+tc)(2)

ph-cal＝gnfakb(te+th)(3)

式中：

gnfa-噪聲系數(shù)分析儀通道增益；

k-1.38×10^-23j/k，為玻耳茲曼常數(shù)；

b-測量帶寬；

te-噪聲系數(shù)分析儀的等效輸入噪聲溫度；

tc-噪聲源關(guān)時的等效輸出噪聲溫度；

th-噪聲源開時的等效輸出噪聲溫度。

根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)，可得到噪聲系數(shù)分析儀的等效輸入噪聲溫度te：

測量過程包括以下步驟：

步驟(21)，將噪聲源取下?lián)Q為被測件，將被測件輸出連接至噪聲系數(shù)分析儀的射頻輸入端口；

步驟(22)，設(shè)置被測件的電源開，測得被測件和噪聲系數(shù)分析儀級聯(lián)的總噪聲功率，記為pmeas，

pmeas＝gnfakb(te+tmeas)(5)

式中：

gnfa-噪聲系數(shù)分析儀通道增益；

k-1.38×10^-23j/k，為玻耳茲曼常數(shù)；

b-測量帶寬；

te-噪聲系數(shù)分析儀的等效輸入噪聲溫度；

tmeas-被測件的等效輸出噪聲溫度。

由式(3)、式(4)和式(5)被測件的等效輸出噪聲溫度tmeas：

被測件的等效輸出功率譜密度記為pdensity，根據(jù)噪聲功率和噪聲溫度的關(guān)系可求得：

pdensity＝ktmeas(7)

式中：

k-1.38×10^-23j/k，為玻耳茲曼常數(shù)。

可選地，所述校準過程包括以下步驟：

步驟(11)，連接好測試系統(tǒng)，開機對噪聲系數(shù)分析儀進行預熱；

步驟(12)，輸入噪聲源的超噪比數(shù)值；

步驟(13)，根據(jù)測量要求設(shè)置噪聲系數(shù)分析儀；

步驟(14)，對噪聲系數(shù)分析儀進行校準。

可選地，對于單端口電子設(shè)備，測量時只需把被測件的輸出直接連接到噪聲系數(shù)分析儀的射頻輸入端口；對于雙端口或多端口電子設(shè)備，測量時需要在被測件的射頻輸入端口連接匹配負載。

可選地，所述噪聲功率譜密度顯示值pdisplay常用公式(8)表達：

式中：

t0-標準噪聲溫度290k。

可選地，通過噪聲功率譜密度顯示值，換算出線性微波電子設(shè)備的噪聲系數(shù)，換算公式為：

式中：

nf-線性微波電子設(shè)備的噪聲系數(shù)；

g-線性微波電子設(shè)備的增益；

tc-噪聲源關(guān)時的等效輸出噪聲溫度；

t0-標準噪聲溫度290k。

可選地，對于單端口微波電子設(shè)備，如固態(tài)噪聲源，通過測得的功率譜密度顯示值換算出其超噪比值，如公式(10)：

式中：

tc-噪聲源關(guān)時的等效輸出噪聲溫度；

t0-標準噪聲溫度290k。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)噪聲系數(shù)分析儀的接收靈敏度可達到-170dbm，能夠?qū)Φ驮鲆?、低噪聲微波電子設(shè)備輸出噪聲功率譜密度進行測量；

(2)以噪聲源作為測量的標準激勵源，噪聲功率譜密度測量可溯源到噪聲源超噪比的定標精度上，測量精度高；

(3)通過校準和測量過程中噪聲功率的比值運算得到被測微波電子設(shè)備的輸出噪聲功率譜密度，噪聲系數(shù)分析儀通道增益gnfa、測量帶寬b等參數(shù)在比值運算中抵消了，避免了現(xiàn)有技術(shù)方案中測量儀器通道增益變化和帶寬修正引入的測量誤差。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現(xiàn)有的噪聲功率譜密度測試方案原理框圖；

圖2為本發(fā)明的校準連接原理框圖；

圖3為本發(fā)明的測量連接原理框圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明提出一種基于噪聲系數(shù)分析儀的噪聲功率譜密度測量方法，能夠快速、精確測量微波電子設(shè)備輸出噪聲功率譜密度，測量精度可以溯源到噪聲源超噪比的定標精度上。噪聲系數(shù)分析儀是一種高靈敏度的噪聲接收機，能夠?qū)O低噪聲信號功率譜密度進行精確測量。

本發(fā)明提出一種基于噪聲系數(shù)分析儀的噪聲功率譜密度測量方法，該方法需要配備噪聲源，用作噪聲功率測量的標準激勵源，噪聲源有一個精確定標的超噪比，定義為：

式中：enr-噪聲源的超噪比；

th-噪聲源開時的等效輸出噪聲溫度；

tc-噪聲源關(guān)時的等效輸出噪聲溫度；

t0-標準噪聲溫度290k。

本發(fā)明的測量方法主要包括校準、測量兩個過程，詳細闡述如下：

(一)校準

校準過程中對固態(tài)噪聲源輸出噪聲功率進行測量，以便噪聲功率譜密度的測量精度能夠溯源到噪聲源超噪比的定標精度上。

校準過程包括以下步驟：

步驟(11)，連接好測試系統(tǒng)，如圖2所示，開機對噪聲系數(shù)分析儀進行必要的預熱。

步驟(12)，輸入噪聲源的超噪比數(shù)值。

步驟(13)，根據(jù)測量要求設(shè)置噪聲系數(shù)分析儀：按噪聲系數(shù)分析儀前面板頻率/點數(shù)(frequency/points)、平均(averaging)和帶寬(bandwidth)等主要設(shè)置功能鍵，設(shè)置測試的起始頻率(startfrequency)、終止頻率(stopfrequency)、測量點數(shù)(points)和平均因子(averages)等參數(shù)。

步驟(14)，按兩次校準(calibrate)鍵，對噪聲系數(shù)分析儀進行校準。

在校準過程中，噪聲系數(shù)分析儀控制噪聲源關(guān)和開，測得噪聲源關(guān)和開兩種狀態(tài)下接收到的冷、熱噪聲功率，記為pc-cal和ph-cal：

pc-cal＝gnfakb(te+tc)(2)

ph-cal＝gnfakb(te+th)(3)

式中：

gnfa-噪聲系數(shù)分析儀通道增益；

k-1.38×10^-23j/k，為玻耳茲曼常數(shù)；

b-測量帶寬；

te-噪聲系數(shù)分析儀的等效輸入噪聲溫度；

tc-噪聲源關(guān)時的等效輸出噪聲溫度；

th-噪聲源源開時的等效輸出噪聲溫度。

根據(jù)式(1)、式(2)和式(3)，可得噪聲系數(shù)分析儀的等效輸入噪聲溫度te。

(二)測量

測量過程包括以下步驟：

步驟(21)，將噪聲源取下?lián)Q為被測件，將被測件輸出連接至噪聲系數(shù)分析儀的射頻輸入端口，如圖3所示。

對于單端口電子設(shè)備，測量時只需把被測件的輸出直接連接到噪聲系數(shù)分析儀的射頻輸入端口；對于雙端口或多端口電子設(shè)備，如放大器類線性雙端口電子設(shè)備和上下變頻器以及多級變頻接收鏈路等電子設(shè)備，測量時需要在被測件的射頻輸入端口連接匹配負載。

步驟(22)，設(shè)置被測件的電源開，測得被測件和噪聲系數(shù)分析儀級聯(lián)的總噪聲功率，記為pmeas，

pmeas＝gnfakb(te+tmeas)(5)

式中：

gnfa-噪聲系數(shù)分析儀通道增益；

k-1.38×10^-23j/k，為玻耳茲曼常數(shù)；

b-測量帶寬；

te-噪聲系數(shù)分析儀的等效輸入噪聲溫度；

tmeas-被測件的等效輸出噪聲溫度。

由式(3)、式(4)和式(5)可得到被測件的等效輸出噪聲溫度tmeas：

被測件的等效輸出功率譜密度記為pdensity，可按噪聲功率和噪聲溫度的關(guān)系的求得：

pdensity＝ktmeas(7)

式中：

k-1.38×10^-23j/k，為玻耳茲曼常數(shù)。

為了便于和標準噪聲溫度290k下1hz帶寬內(nèi)的熱噪聲功率-174dbm做比較，在噪聲系數(shù)分析儀中，噪聲功率譜密度顯示值pdisplay常用下面的公式(8)表達：

式中：

t0-標準噪聲溫度290k。

以上即為本發(fā)明的噪聲功率譜密度的測量原理和計算方法的詳細闡述，通過本發(fā)明的技術(shù)方案，可以測得微波電子設(shè)備輸出噪聲功率譜密度，用于量化微波電子設(shè)備的噪聲特性。

對于非線性電子設(shè)備，使用本發(fā)明的技術(shù)方案，可以解決設(shè)備內(nèi)部噪聲性能評估的難題。本發(fā)明的方法也可解決線性電子設(shè)備在不具備噪聲系數(shù)測試條件下，噪聲系數(shù)指標精確測量的難題。通過本發(fā)明測得的噪聲功率譜密度及其顯示值，可以方便地換算出線性微波電子設(shè)備的噪聲系數(shù)，換算公式為：

式中：

nf-線性微波電子設(shè)備的噪聲系數(shù)；

g-線性微波電子設(shè)備的增益；

tc-噪聲源關(guān)時的等效輸出噪聲溫度；

t0-標準噪聲溫度290k。

對于單端口微波電子設(shè)備，如固態(tài)噪聲源，通過本發(fā)明的方法測得的功率譜密度顯示值能夠換算出其超噪比值，如公式(10)。

式中：

tc-噪聲源關(guān)時的等效輸出噪聲溫度；

t0-標準噪聲溫度290k。

本發(fā)明在噪聲系數(shù)分析儀上實現(xiàn)了微波電子設(shè)備的噪聲功率譜密度測量，具有如下突出的優(yōu)點：

(1)噪聲系數(shù)分析儀的接收靈敏度可達到-170dbm，能夠?qū)Φ驮鲆妗⒌驮肼曃⒉娮釉O(shè)備輸出噪聲功率譜密度進行測量。

(2)本發(fā)明的技術(shù)方案以噪聲源作為測量的標準激勵源，噪聲功率譜密度測量可溯源到噪聲源超噪比的定標精度上，測量精度高。

(3)本發(fā)明的技術(shù)方案是通過校準和測量過程中噪聲功率的比值運算得到被測微波電子設(shè)備的輸出噪聲功率譜密度，噪聲系數(shù)分析儀通道增益gnfa、測量帶寬b等參數(shù)在比值運算中抵消了，避免了現(xiàn)有技術(shù)方案中測量儀器通道增益變化和帶寬修正引入的測量誤差。

對于單端口電子設(shè)備、非線性電子設(shè)備，無法用噪聲系數(shù)來表征其噪聲性能；另外在特殊使用環(huán)境下中的線性電子設(shè)備不具備噪聲系數(shù)測試條件，比如噪聲源無法和被測設(shè)備的輸入端口直接連接等，上述這些情況都可以采用本發(fā)明的技術(shù)方案，對通過其輸出端的噪聲功率譜密度的測量來衡量設(shè)備的噪聲性能。本發(fā)明可解決單端口電子設(shè)備、非線性電子設(shè)備噪聲性能評定難題，同時解決線性電子設(shè)備在不具備噪聲系數(shù)測試條件下，噪聲性能評定的難題，應用領(lǐng)域廣闊。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。