Измеритель коэффициента шума (стр. 2 из 15)
(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
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.