Дипломная работа: Измеритель коэффициента шума

Дипломная работа: Измеритель коэффициента шума

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Радиотехнический факультет

Кафедра радиотехнических систем (РТС)

Пояснительная записка к дипломному проекту

Измеритель коэффициента шума

2006

Реферат

Дипломный проект 48 рис., 19 табл., 8 источников, 6 л. графического материала.

ИЗМЕРИТЕЛЬ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА, КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА, КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ, БЛОК ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА, СМЕСИТЕЛЬ, ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ.

Объектом проектирования является блок цифровой обработки сигнала ПЧ (ЦОС ПЧ), входящий в измеритель коэффициента шума (ИКШ).

Цель данного проекта - разработка блока цифровой обработки сигнала ПЧ (ЦОС ПЧ), улучшение технических характеристик ИКШ за счет выбора новой элементной базы.

В результате проектирования проведен анализ методов измерения КШ, анализ принципов построения современных ИКШ, выработана структурная схема измерителя, а также схема электрическая принципиальная блока ЦОС ПЧ, входящего в ИКШ.

Область применения - ИКШ предназначен для измерения коэффициента шума и коэффициента передачи приемно-усилительных устройств в частотном диапазоне от 10 МГц до 4 ГГц; блок ЦОС ПЧ предназначен для оцифровки, фильтрации и детектирования сигнала ПЧ.

Дипломный проект выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word 2003 с использованием программы СВЧ - моделирования Microwave Office 2004.

Задание на дипломный проект студенту гр. 121-2 Брюхову Дмитрию Алексеевичу оканчивающему университет по специальности ''Радиоэлектронные системы''

1. Тема дипломного проекта: Измеритель коэффициента шума

2. Срок сдачи проекта на кафедру ''8'' декабря 2006г.

3. Назначение и область применения устройства: Измеритель предназначен для измерения коэффициента шума и коэффициента передачи приемно-усилительных устройств в частотном диапазоне от 10 МГц до 4 ГГц.

4. Источники разработки:

1. К.И. Алмазов - Долженко, “Коэффициент шума и его измерение на СВЧ”, “Научный мир 2000г.

2. ГОСТ 25489-88. Измерители коэффициента шума. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Изд. стандартов. 1989г.

5. Стадии разработки по ЕСКД: эскизный проект (ГОСТ 2.119-73)

6. Состав проектируемой системы и уровень разработки входящих в нее блоков

6.1. В состав проектируемой системы входят: блок генератора шума, блок радиоприемного тракта, блок цифровой обработки сигнала, блок сбора данных и управления, блок синтезаторов частот.

6.2. Разработке на уровне структурных схем подлежит: весь прибор.

6.3. Разработке на уровне функциональных схем подлежит: весь прибор.

6.4. Разработке на уровне принципиальных схем подлежит: блок цифровой обработки сигнала.

7. Технические требования

7.1. Основные показатели назначения:

7.2. Требования к конструктивному исполнению

7.2.1. Общие требования в соответствии с ГОСТ 22261-94.

7.2.2. Конструкторской проработке в проекте подлежит: общий вид и габаритный чертеж прибора.

7.3. Условия эксплуатации

7.3.1. Общие требования в соответствии с аппаратурой 3 группы по ГОСТ 22261-94.

7.4. Требования к надежности

7.4.1. Общие требования:

Средняя наработка на отказ – не менее 10000 часов.

7.4.2. Проработке в проекте подлежит:

Расчет и обеспечение требований по надежности устройств, разрабатываемых на уровне принципиальных схем.

8. Требования эргономики, техники безопасности и технической эстетики

8.1. Общие требования в соответствии с ГОСТ 22261-94.

9. Требования к организационно – экономической части работы

9.1. Общие требования в соответствии с ГОСТ 2.119-73.

9.2. Разработке в проекте подлежат:

Технико-экономическое обоснование разработки.

10. Требования к патентной чистоте и конкурентоспособности - не предъявляются.

11. Требования к макетированию, моделированию

11.1. Общие требования в соответствии со стадией проектирования

11.2. Разработке в проекте подлежит: выбор элементной базы блока цифровой обработки сигнала и расчет линий передачи

12. Подлежит разработке следующая документация

А. Чертежи

1.         Измеритель коэффициента шума. Схема электрическая структурная – 1 лист.

2.         Измеритель коэффициента шума. Схема электрическая функциональная – 1 лист.

3.         Блок цифровой обработки сигнала. Схема электрическая принципиальная – 1 лист.

Б. Демонстрационные иллюстрации

Основы метода измерения коэффициента шума, математические соотношения – 1 лист.

В. Пояснительная записка

В пояснительной записке должны быть приведены все материалы проектирования в соответствии с заданием и методическими указаниями.

Список условных сокращений

ГШ - генератор шума;

ГШТ - газоразрядные шумовые трубки;

ИКШ - измеритель коэффициента шума;

ИОШТ - избыточная относительная шумовая температура;

ИС - интегральная схема;

КП - коэффициент передачи;

КСВН - коэффициент стоячей волны по напряжению;

КШ - коэффициент шума;

ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема;

ППУ - приемно-усилительные устройства;

ПСДУ - плата сбора данных и управления;

РПТ - (блок) радиоприемного тракта;

СПМШ - спектральная плотность мощности шума;

УВХ - устройство выборки-хранения;

ЦОС ПЧ - (блок) цифровой обработки сигнала ПЧ;

Dither - шумовой сигнал;

DSP - цифровой сигнальный процессор;

ENOB - эффективная разрядность;

LVDS - метод передачи цифровых данных дифференциальными сигналами;

SFDR - динамический диапазон, свободный от гармоник;

SINAD - показатель сигнал/шум/искажения;

SNR - отношение сигнал/шум.

1. Введение

Шумы представляют собой важную проблему в науке и технике, поскольку они определяют нижние пределы, как в отношении точности любых измерений, так и в отношении величины сигналов, которые могут быть обработаны средствами электроники.

Отношение сигнал-шум (с/ш) радиоприемных систем - это очень важный критерий в системах электросвязи. Современные приемные устройства радиолокационных станций, аппаратуры связи, навигации должны обнаруживать и обрабатывать слабые радиосигналы. К факторам, которые ограничивают их чувствительность, относятся собственные шумы приемно-усилительных устройств. Для характеристики уровня собственных шумов приемных устройств и отдельных узлов и блоков применяются параметры: коэффициент шума (КШ) и температура шума входа устройства.

Высокое отношение сигнал шум на выходе приемника означает высокое качество связи аналоговых систем, низкую вероятность ошибки цифровых систем. Достижение этих характеристик путем увеличения мощности передатчика или коэффициента усиления антенны (то есть размеров антенны) не всегда возможно из-за технических и экономических ограничений, поэтому уменьшение генерации шума приемными устройствами часто является единственным путем увеличения помехозащищенности систем связи.

Целью данного проекта является разработка блока цифровой обработки сигнала ПЧ, а также улучшение технических характеристик измерителя коэффициента шума за счет выбора новой элементной базы.

2. Шумовые параметры четырехполюсников

Коэффициент шума приемного устройства или любого линейного четырехполюсника определяется соотношением:

, (2.1)

где Рс.вх, Рш.вх, Рс.вых, Рш.вых - номинальные мощности входного сигнала и шума, сигнала и шума на выходе четырехполюсника при нормальной температуре шума входной нагрузки T = 293 K.

Как следует из (2.1), коэффициент шума показывает, во сколько раз отношение сигнала к шуму на выходе четырехполюсника уменьшается по сравнению с аналогичным отношением на его входе.

Введя обозначение  (коэффициент усиления по мощности), (2.1) можно записать как

 (2.2)

Коэффициент усиления реальных четырехполюсников имеет частотную зависимость, потому и коэффициент шума в общем случае также зависит от частоты и полосы частот, в которой производятся измерения. Для характеристики шумовых свойств используется дифференциальный коэффициент шума

 (2.3)

Под дифференциальным коэффициентом шума понимается величина, показывающая, во сколько раз уменьшается отношение мощностей сигнала и шума в бесконечно малой полосе частот при прохождении полезного сигнала через четырехполюсник.

При измерениях обычно определяют интегральный (усредненный) в полосе частот коэффициент шума, который показывает, во сколько раз уменьшается отношение полной мощности сигнала к полной мощности шума при прохождении через четырехполюсник полезного сигнала от стандартного источника:

, (2.4)

где  - мощность шумов на выходе четырехполюсника при температуре стандартного источника;

 - полоса пропускания.

Если учесть, что полный шумовой сигнал на выходе содержит составляющие за счет шумов источника и собственных шумов четырехполюсника, уравнение для интегрального коэффициента шума можно записать в следующем виде:

 (2.5)

Если составляющие шума линейного четырехполюсника являются белым шумом, то дифференциальный и интегральный коэффициенты шума численно равны независимо от амплитудно-частотных характеристик исследуемых устройств и называются просто коэффициентом шума.

Для характеристики шумовых свойств вместо коэффициента шума удобнее пользоваться понятием эффективной температуры шума входа четырехполюсника.

Температура шума активного четырехполюсника может определятся по формуле:

, (2.6)

где F - коэффициент шума активного линейного четырехполюсника.

Однако малые значения температуры шума, рассчитанные по значению коэффициента шума, могут отличаться от своего действительного значения. Это обусловлено тем, что при снижении уровня измеряемого коэффициента шума относительная погрешность определения эффективной температуры шума по (2.6) значительно превышает погрешность измерения той величины F, которая входит в формулу. Для снижения погрешности оценки малых значений эффективной температуры шума необходимо производить ее непосредственное измерение.

Различают дифференциальную и интегральную температуры шума на выходе четырехполюсников. Зависимость между этими температурами шума на входе четырехполюсника аналогична зависимости между дифференциальным и интегральным коэффициентами шума. Если собственные шумы четырехполюсника имеют характер белого шума, то дифференциальная и интегральная температуры совпадают, При этом температура шума именуется «эффективной температурой шума на входе четырехполюсника».

Измерение шумовых параметров четырехполюсников - коэффициента или температуры шума - сводится к измерению соотношения мощностей шумовых сигналов на выходе исследуемого устройства при определенным образом изменяемом уровне мощности шумового сигнала на его входе.

Методы измерения различаются между собой способами выделения и определения отношения мощностей сигналов на выходе и создания известного с определенной точностью изменения уровней мощностей сигналов на входе приемно-усилительных устройств.

3. Методы измерения шумовых параметров четырехполюсников

3.1 Метод двух отсчетов

Наиболее простым и распространенным в повседневной практике методом измерения шумовых параметров приемно-усилительных устройств (ПУУ) является метод двух отсчетов. Метод состоит в поочередной подаче на вход измеряемого устройства шумовых сигналов с известными значениями температуры шума Т1 и Т2 (Т1 < Т2) и измерении уровня сигналов на его выходе.

Структурная схема метода измерения представлена на рисунке 3.1. В качестве источников шумовых сигналов могут использоваться любые генераторы шума с известной температурой шума.

При поочередной подаче на вход измеряемого ПУУ шумовых сигналов показания измерителя мощности будут пропорциональными:

 (3.1)

, (3.2)

где Fу - коэффициент шума измеряемого ППУ при подаче сигнала с температурой шума Т1;

k - коэффициент пропорциональности.

Решив совместно (3.1) и (3.2), получим

, или

, (3.3)

где  - относительное изменение уровня мощности сигнала на выходе линейной части измеряемого ППУ при двух различных значениях температуры шума на его входе.

Рисунок 3.1 - Структурная схема измерения шумовых параметров четырехполюсников методом двух отсчетов

Полученное в результате измерения значение Fу(Ту) включает в себя кроме значения температуры шума входа измеряемого устройства также

составляющую за счет собственных шумов измерителя мощности:

, (3.4)

где Тизм - температура шума входа измерителя мощности;

G - коэффициент усиления измеряемого устройства по мощности.

При измерениях может использоваться один генератор шума, если имеется возможность изменения его температуры шума, например газоразрядный генератор шума во включенном и выключенном состояниях. Если имеется возможность плавного изменения температуры шума, например при использовании диодного генератора шума или газоразрядного генератора шума с аттенюатором на выходе, то изменением Т2 можно достигнуть n = 2 и отсчитать значение Fy(Ty) по шкале тока диода или аттенюатора. Метод двух отсчетов при n = 2 получил название метода удвоения.

При выборе числа n исходят из того, что при слишком малом значении отношения уровней мощности сигналов (n < 2) снижается точность отсчета, а при слишком большом может возникнуть дополнительная погрешность за счет нелинейности преобразования сигнала в измерителе мощности.

Разновидностью метода двух отсчетов, исключающей трудно учитываемую составляющую погрешности измерения за счет собственных шумов измерителя мощности, является метод аттенюатора (постоянного уровня). Он наиболее пригоден для измерения шумовых характеристик усилительных устройств. Структурная схема метода измерения приведена на рисунке 3.2.

В отличие от рассмотренного выше метода в данном методе изменение отношения сигналов производится аттенюатором на выходе измеряемого усилителя в тракте СВЧ или промежуточной частоты.

При подаче на вход измеряемого усилителя сигнала от градуированного генератора с низким уровнем температуры шума (Т1) отмечается показание измерителя мощности

, (3.5)

где γ1 - затухание градуированного аттенюатора при подключенном генераторе шума с Т1;

α0 - показание выходного прибора, обусловленное собственными шумами измерителя мощности.

Рисунок 3.2 - Структурная схема измерения шумовых параметров четырехполюсников методом аттенюатора

При включении на вход измеряемого усилителя генератора с температурой шума Т2 затухание аттенюатора (γ2) устанавливается таким, при котором показание измерителя мощности примет значение α2 = α1.

Это соответствует равенству

Отсюда

,  (3.6)

где  - отношение затуханий аттенюатора.

Метод имеет два варианта в зависимости от способа изменения отношения сигналов. При использовании аттенюатора в тракте промежуточной частоты, как и при методе двух отсчетов, необходимо учитывать поправку за счет собственных шумов измерителя мощности. В этом случае температура шума измеряемого усилителя определяется по (3.4).

Использование аттенюатора в СВЧ тракте позволяет производить изменения отношения сигналов непосредственно на выходе измеряемого усилителя. При этом необходимо учитывать поправку за счет шумов, вносимых аттенюатором. Температура шума на входе измеряемого усилителя

,  (3.7)

где G - коэффициент усиления измеряемого усилителя.

Оба метода (двух отсчетов и аттенюатора) имеют одинаковую зависимость погрешности измерения температуры шума от параметров измерительной аппаратуры.

Основными составляющими погрешностей методов являются:

·        погрешность за счет нелинейности амплитудной характеристики

измеряемого устройства и преобразования сигнала в измерителе мощности (для метода двух отсчетов);

·        погрешность градуировки температуры шума генераторов;

·        погрешность индикации отношения сигналов;

·        погрешность за счет рассогласования генератора шума и

измерителя мощности.

Основными недостатками рассмотренных методов являются:

·        низкая чувствительность, в результате чего при измерениях

больших значений температуры шума возрастает погрешность измерений;

·        трудность настройки измеряемого устройства в большом

динамическом диапазоне (при настройке на минимум коэффициента шума);

·        низкая производительность труда;

·        невозможность проведения измерений шумовых параметров ПУУ

без разборки аппаратуры, в состав которой оно входит.

Однако, несмотря на указанные недостатки, приведенные методы относительно просты, не требуют для своей реализации дорогостоящей измерительной аппаратуры и могут использоваться там, где не требуется высокая производительность труда и не измеряются шумовые параметры в большом динамическом диапазоне.

Для исключения погрешностей за счет нестабильности усиления измерительного тракта и нелинейности преобразования сигналов при измерениях шумовых параметров четырехполюсников может использоваться метод опорного сигнала. Структурная схема метода представлена на рисунке 3.3.

От измерительного генератора, работающего в режиме непрерывной генерации, через направленный ответвитель на исследуемое устройство подается опорный сигнал. В тракте промежуточной частоты измерительного приемника имеются ограничитель и частотный детектор. Второй детектор приемника по отношению к шумовому сигналу работает в смесительном режиме. Гетеродинным сигналом является опорный сигнал от измерительного генератора. При выключенном генераторе шума (ГШ) отсчитывается показание выходного индикатора приемника. Включается генератор шума, изменением ослабления аттенюатора измерительного генератора увеличивается уровень опорного сигнала до получения прежнего показания индикатора. Разность двух отсчетов аттенюатора дает отношение сигналов на выходе четырехполюсника.

Рисунок 3.3 - Структурная схема измерения шумовых параметров четырехполюсников методом опорного сигнала

Основным недостатком метода является значительная составляющая погрешности измерения за счет собственных шумов измерительного приемника. Кроме того, метод не имеет преимуществ по сравнению с другими методами в части высокочастотной составляющей погрешности измерений.

3.2 Модуляционный метод измерения шумовых параметров четырехполюсников

Известно много различных вариантов модуляционного метода. Общим для них является сравнение мощности шумов на выходе линейной части испытуемого устройства при включенной и выключенной мерах температуры шума [спектральной плотности мощности шума (СПМШ)] на входе четырехполюсника. Для выделения слабых шумовых сигналов на выходе измеряемого устройства используется модуляционный метод выделения и измерения сигналов.

Рисунок 3.4 - Упрощенная структурная схема

Метод обладает достаточно высокой чувствительностью, что позволяет использовать при измерениях относительно маломощные меры шума, а также включать их в измерительные тракты через направленные ответвители. Последнее в свою очередь делает возможным:

·        производить измерения коэффициента шума при работе приемного устройства на реальную нагрузку (антенну);

·        осуществлять измерения шумовых параметров без нарушения функционирования приемного устройства;

·        исключать дополнительную погрешность измерения, обусловленную изменением выходного сопротивления генератора шума при его работе в режиме модуляции.

На рисунке 3.4 приведена упрощенная структурная схема метода измерения.

Принцип измерения иллюстрируется на рисунке 3.5, на котором показан характер изменения во времени относительных температур шума, приведенных к входу измеряемого устройства.

Рисунок 3.5 - Временная диаграмма изменения температуры шума на входе измеряемого четырехполюсника

При модуляции генератора шума (включении и выключении) относительная температура шума, приведенная к входу измеряемого четырехполюсника, изменяется

от

Тгш/Т0 + Тч/Т0 + Тизм/Т0 или tгш+Fч+

до

Т0/Т0 + Тч/Т0 + Тизм/Т0 или Fч + ,

где  = (Fизм – 1)/G;

Тгш - температура шума генератора;

Tгш - избыточная относительная температура шума генератора;

Тч - температура шума измеряемого четырехполюсника;

Fч - коэффициент шума четырехполюсника;

Fизм - коэффициент шума измерительного устройства;

Т0 - нормальная температура (293К).

Шумовой сигнал на выходе четырехполюсника промодулирован частотой модуляции генератора шума. Как видно из рисунка 3.5, глубина модуляции тем больше, чем меньше мощность шумов измеряемого четырехполюсника. Во всех вариантах модуляционного метода селективно выделяются низкочастотные составляющие частоты модуляции, пропорциональные tгш и tгш + Fч +  или Fч + . Одна из величин (tгш) фиксируется с помощью автоматического регулирования усиления (АРУ) усилителя измерительного устройства, а другая используется для определения коэффициента шума измеряемого четырехполюсника. Применение при этом узкополосных устройств (синхронных и частотных детекторов, фильтров и др.) позволяет избавиться от шумового фона и увеличить чувствительность к первой гармонике низкочастотной составляющей модулированных сигналов.

Известно большое число различных вариантов модуляционного метода, удовлетворяющих многим требованиям, предъявляемым к измерениям шумовых параметров четырехполюсников. В зависимости от требуемой точности и пределов измерения, особенностей исследуемых устройств может быть технически реализован тот или иной вариант метода.

4. Средства измерения коэффициента шума четырехполюсников

4.1 Общие сведения

Для измерения коэффициента шума и коэффициент