Измерение помех мт методом вычитания шума

Измерения: Сначала измеряется уровень сигнала плюс уровень шума и сильно усредняется для снижения дисперсии мощности шума. Затем сигнал отключается от анализатора, и на вход анализатора ставится терминатор. Теперь измеряется и усредняется только шум. И, наконец, среднее значение шума вычитается из среднего значения сигнала с шумом, после чего сигнал отображается и сохраняется. Успешное измерение по методу вычитания шума показано на рис. 3.

Рис. 3. Результаты типичного измерения по методу вычитания шума

При значении сигнала с шумом -114,7 дБм и значении сигнала -127,9 дБм средний уровень сигнала лежит, примерно, на 13,2 дБ ниже уровня шумов.

При использовании этого метода надо учитывать некоторые факторы. Во-первых, анализатор спектра нужно настроить на максимальную чувствительность и выбрать соответствующий тип детектора: установите аттенюатор на 0 дБ, включите предусилитель и выберите комбинацию усреднения по мощности с усредняющим детектором. Кроме того, мощность должна усредняться в ваттах, а не в дБ, дБм (логарифм сигнала) или вольтах (заметьте, что логарифм усреднения линейных сигналов и усреднение логарифмов линейных сигналов — это совершенно разные операции). Применение детектора мощности (истинно среднеквадратического детектора True RMS) упрощает задачу, поскольку истинно среднеквадратический детектор работает одинакового хорошо для широкополосных и узкополосных сигналов. Кроме того, используемый для измерения анализатор должен обладать достаточной стабильностью в нужных интервалах времени и температуры. Для получения лучших результатов выполняйте измерение и усреднение в относительно узкой полосе обзора.

Для выполнения последнего измерения по методу вычитания шума, важно заменить источник сигнала терминатором, импеданс которого равен (в идеальном случае) импедансу источника сигнала, а затем измерить и усреднить величину шума. Терминатор позволяет получить то же значение суммарного теплового шума на входе анализатора, каким оно было при из-мерении сигнала с шумом. Поскольку тепловой шум на входе относительно мал по сравнению с собственным шумом предусилителя, то вполне вероятно, что метод вычитания шума даст приемлемый результат и без терминатора; однако установка терминатора очень важна для получения максимально точного результата. Можно также просто выключить источник сигнала и оставить его подключенным. Такой подход работает лишь в том случае, если выходное сопротивление источника и его тепловой шум не зависят от уровня сигнала.

Основу метода вычитания шума составляет усреднение. В идеальном случае выполняются два измерения — одно для уровня шума, а другое для уровня сигнала с шумом, затем их результаты вычитаются для извлечения сигнала. К сожалению, и шум, и сигнал с шумом имеют значительную дисперсию относительно среднего значения. Поэтому единственное из-мерение каждого сигнала дает очень высокую вероятность получения не-достоверного результата. Влияние малого числа измерений проявляется в том, что дисперсия искомого сигнала становится слишком большой.

Рис. 4. Влияние усреднения на дисперсию сигнала

при использовании метода вычитания шума

Как видно на рис. 4, кривые вероятности (без усреднения) для шума и сигнала с шумом охватывают широкие диапазоны мощности. Отдельные показания случайным образом распределяются в этих диапазонах согласно кривым вероятности. В первой группе графиков сигнал Sn+Nn оказался ниже соответствующего сигнала Nn, и результирующий сигнал Sn получился с бессмысленной отрицательной мощностью. Для снижения дисперсии шума и сигнала с шумом надо использовать усреднение перед попыкой извлечения искомого низкоуровневого сигнала.

На рис. 5 видно, что сигма усредненного некоррелированного сигнала обратно пропорциональна квадратному корню из числа усреднений. Поскольку дисперсия равна сигме в квадрате, дисперсия усредненного сигнала обратно пропорциональна числу усреднений. Для снижения дисперсии усредняемые сигналы должны быть некоррелированными. С сигналом шума анализатора никаких проблем обычно не возникает, а вот сигнал плюс шум содержит составляющую, которая в лучшем случае носит псевдослучайный характер.

Рис. 5. Теоретическое и типичное влияние усреднения

на некоррелированный сигнал

К счастью, шумовая составляющая сигнала с шумом не коррелированна и поэтому уменьшается в соответствии с нашими ожиданиями. По- скольку дисперсия сигнала с шумом не уменьшается обратно пропорци-онально числу усреднений, лучше рассчитывать необходимое число измерений, исходя из требуемого улучшения дисперсии шума.

На практике вычитание шума дает типичное улучшение порядка 10 дБ. Дальнейшее улучшение возможно, но оно асимптотически приближается к некоторому пределу, зависящему от природы сигнала и характеристик анализатора спектра.

Таким образом, за повышение чувствительности приходится платить временем измерения. Например, для улучшения отношения сигнал/шум на 10 дБ нужно увеличить время измерения в 400 раз. И если в научных исследованиях и проектировании длительные измерения не представляют особой проблемы, то в процессе производства это вряд ли приемлемо. Однако реальное время измерения с усреднением зачастую можно значительно сократить, замедляя скорость свипирования анализатора спектра (см. врез).

Лабораторная работа №2.