إن الحد الأدنى من الضوضاء لمولد الإشارة هو معيار حرج يحدد أدنى مستوى من الإشارات يمكن أن ينتجه دون تشوه أو تدخل، فهم هذا المفهوم أساسي للمهندسين والتقنيين العاملين في مجال الاتصالات والبث والاختبار الإلكتروني، وفي كثير من نظم القياس، يحد الحد الأدنى من الضوضاء من النطاق الدينامي، والحساسية، ودقة توصيف الأجهزة، وتوفر هذه المادة نظرة شاملة على العلم وراء الحد الأدنى من الضجيج المولدات، وتقنيات، والتأثير على استراتيجيات الأداء العملية.

تحديد درجة الضواحي في مولدات الإشارة

وفي سياق مولدات الإشارة، فإن الحد الأدنى للضوضاء هو الضوضاء ذات النطاق العريض المتبقية التي ترد في إشارة الإنتاج عندما يكون المولد جاهزاً لإنتاج مستوى إشارة رمزية، وهذه الضوضاء تنشأ عن آليات مادية متعددة ويمكن ملاحظة أنها تقلبات عشوائية مرجحة على الموجة المقصودة، ويُعبر عن الحد الأدنى للضوضاء عادة في دي بيم/هرتز (العلامات الديوية ذات الوميض الواحد) أو كثافة الضوئية.

وعلى عكس الضوضاء على المرحلة التي تصف استقرار الترددات القصيرة الأجل، فإن الحد الأدنى للضوضاء يتعلق باختلافات الكمود عبر نطاق الترددات الواسعة، حيث يتيح الحد الأدنى من الضوضاء للمولدات إنتاج إشارات أنظف، وهو أمر مهم بصفة خاصة عند اختبار أجهزة استقبال عالية الحساسية، أو وصف أجهزة الضخ المبلورة المنخفضة الدقة، أو إجراء قياسات للقوى الميكانيكية المتاخمة.

النواة الحرارية (جونسون - نيكيست نوايس)

والضوضاء الحراري هو أهم المساهمين في الحد الأدنى للضوضاء، وهو ناتج عن الحركة العشوائية لحاملات الشحن في المكونات المقاومة، وهو متناسب مع درجة الحرارة المطلقة، وتعطى قوة الضوضاء المتاحة من مقاوم درجة حرارة T (in Kelvin) على نطاق التردد B بواسطة كيلوفولت بي، حيث تكون كيلوفولت أمتار ثابتة (1.38) - 10-23[FT].

ضوئية و نوزة فليكر

وتنشأ الضوضاء الناتجة عن الطابع المتباين لحاملات الشحن في شبه الموصلات، مثل المترجمين والمغصات المستخدمة في مراحل توليد الإشارات وتضخيم الإنتاج، وهي مهيمنة على ترددات أعلى وزيادات مع متوسط التيار، وتظهر الضوضاء (الضوضاء) في ترددات منخفضة، وتتناسب مع الترددات، وعلى الرغم من أن تأثيرها على الحد الأدنى من الضجيج يمكن أن يقلل إلى أدنى حد ممكن من خلال التص الدقيق للتصميم.

مساهمون آخرون

وتشمل مصادر الضوضاء الإضافية طفرة إمدادات الطاقة، والثغرات الأرضية، والتدخل الكهرومغناطيسي، والضوضاء الكمي في مولدات الإشارات الرقمية، وتستخدم مولدات الإشارات العالية الجودة مراحل متعددة للتصفير، ومراجع دقيقة للفولط، والدرع في خفض هذه المساهمات.

لماذا مسائل قياس الحد الأدنى

ويعد القياس الدقيق لطابق الضوضاء أمرا أساسيا لعدة أسباب:

  • Device Characterization:] When testing receivers, mixers, or amplifiers, the stimulus noise must be well below the tool under test (DUT)âTMs own noise. otherwise, the measured performance will be degraded.
  • System Dynamic Range:] The noise floor sets the lower bound of the signal power electricityâTMs usable output range. A poor noise floor reduces the effective dynamic range, limiting the power the birthâTMs ability to simulate weak signals.
  • Comppliance Testing:] Standards such as ETSI, FCC, or 3GPP require that test equipment have a noise floor low enough to not interfere with the pass/fail decision.
  • Calibration and Metrology: In calibration laboratories, the reference sourceâTMs noise floor must be known and accounted for to achieve traceable uncertainty budgets.

الأثر على اختبارات الاستشعار عن بعد

ومن الأمثلة التقليدية على ذلك اختبار حساسية جهاز استقبال الاتصالات، وقد يكون رقم الضوضاء الخاص بجهاز الاستقبال هو 6 د.ب.() ومن أجل قياس حساسيته بدقة، يجب تقديم إشارة الاختبار بمقياس ضوضاء لا يقل عن 10 د.ب تحت الحد الأدنى من الضوضاء المكافئة للمستقبل، وإذا كان الحد الأدنى للضوضاء في أجهزة قراءة أجهزة الصراف الآلي للإشارة مرتفعاً جداً، فإنه سيسهم في ضوضاء جهاز الاستقبال المزود بالأجهزة الضوئية، مما يؤدي إلى زيادة الحساسية.

طرق قياس درجة المولدات الإشارةية

ويتطلب قياس الحد الأدنى للضوضاء من مولد الإشارة تجهيزا دقيقا لفصل الضوضاء التي تصدرها أجهزة الصراف الآلي من أجهزة القياس، وهناك عدة تقنيات ثابتة.

القياس المباشر للمناخ

ويستخدم النهج الأكثر استقامة محلل طيف، ويُحدد مولد الإشارة لإنتاج نبرة من الأسلحة الكيميائية على مستوى تواتر محدد وكهرباء محدد، ويُزوَّد هذا المحلل بمقياس ضيق للاستبانة (الرمز (الرمز B) ويُعدّل مقياس الضوضاء (رقم /مركبة فيديو) ويُلاحظ الحد الأدنى للضوضاء بعيدا عن الناقل (مثلاً على نطاق التردد 10 كيلوهرتز) لتفادي الضوضاء.

غير أن هذه الطريقة تتأثر بطابق الضوضاء الخاص بأجهزة الصرف الآلي التي تستخدمها أجهزة التحليل، وقد تحتاج إلى مُسبق، ولإحراز نتائج دقيقة، يجب أن يكون الحد الأدنى للضوضاء على أجهزة الصراف الآلي المُحلية على الأقل 10 دباء تحت الحد الأدنى للضوضاء التي تصدرها أجهزة الصراف الآلي للمولدات، وإذا لم يتم الوفاء بهذه الحالة، يمكن استخدام طريقة لطرح الضوضاء.

Y-Factor Method for Noise Floor

ويمكن تكييف طريقة المفاعلات التي تستخدم عادة لقياس أرقام الضوضاء بحيث توصف الحد الأدنى للضوضاء في مولد الإشارة، وهي تتطلب مصدراً للضوضاء المعايرة (مثلاً، حمولة باردة أو حماقة ضوضاء) ومتر كهربائي أو مزيل للطاقات، ويغلق المولد ويتصل مصدر الضوضاء، ويُتخذ مقياسان للضوضاء:

وهذه الطريقة أكثر دقة من القياس المباشر للطيف لأنها تمثل مساهمة ضوضاء أجهزة الاستلام التابعة لأجهزة الصرف الآلي، ولا تتطلب تحليلاً دينامياً واسع النطاق.

تقنيات تبادل المعلومات

وبالنسبة لمولدات الطوابق المنخفضة جداً (160 د/هرتز)، تستخدم طريقة للتبريد عبر النطاق، وتقيس محللان مستقلان للطيف أو قناتين مستقلتين لمستقبل المولدات ذات اللافتات، والضوضاء من المولد شائعة في كلا القناةين، بينما لا ترتبط الضوضاء من كل جهاز تحليل الأرضيات بالصوت، وتصدر هذه الضوضاء تحت المتوسط.

تحليل الوقت

وباستخدام مفترق عالي السرعة أو رقمي، يمكن للمرء أن يلتقط صورة موجة الضوضاء في ناتج أجهزة الصراف الآلي المولدة، وبعد رقمنة، ينتج نظام المعلومات الملتقطة الكثافة الضوضاء، وهذا النهج يتطلب معايرة دقيقة للضوضاء الرقمية على أجهزة الصراف الآلي والارتفاع الرأسي، وهو أكثر فائدة في الإشارات المبثوثة أو المتغيرة زمنياً التي قد تختفي فيها.

العوامل التي تؤثر على ضواحي النواة

ولا يمثل الحد الأدنى من الضوضاء لمولد الإشارة رقما ثابتا؛ فهو يختلف مع ظروف التشغيل والأوضاع، ويساعد فهم هذه العوامل المهندسين على وضع ميزانية للضوضاء في مجموعات اختباراتهم.

مستوى القوة

وفي بيئات الطاقة المنخفضة الإنتاجية (مثلاً - 100 دبوم)، تعمل أجهزة التصعيد الداخلية للمولدات الكهربائية العاملة بمكسب منخفض، وتزداد الضوضاء من مرحلة الإنتاج إلى جانب الإشارة، وفي المقابل، فإن أجهزة الإرسال ذات القدرة العالية على الإنتاج، تتجه إلى درجة أكبر، ويمكن أن يرتفع الحد الأدنى من الضوضاء بسبب زيادة الحرارة والضوضاء، وتظهر بعض المولدات إشارات أعلى من معدلات التبادل:

المعالم الطبيعية والبيئية

وكما ذُكر، فإن الضوضاء الحرارية متناسبة مع درجة الحرارة المطلقة، إذ أن المولد الذي يعمل في مختبر يبلغ 25 درجة مئوية سيكون له مستوى أدنى من مستوى الضوضاء عند 0.1 درجة مئوية تقريباً عن كل درجة من الارتفاع بسبب العلاقة بين خطي الماء، والأهم من ذلك أن ارتفاع درجة الحرارة الداخلية من التبريد النشط أو تفكك الطاقة يمكن أن يؤدي إلى تحول الحد الأدنى من الضوضاء أثناء التشغيل.

خطة الثأر والضمان

وعادة ما لا تُغطى طابق الضوضاء عبر نطاق الترددات المولدة للأجهزة الصرافية، وفي ترددات أقل (مثلاً، أقل من 1 ميغاهرتز)، تهيمن الضوضاء المرنة على ارتفاع الضوضاء، وفي ارتفاع ترددات الموجات الدقيقة، يمكن أن تزداد الضوضاء الواسعة النطاق من المزلاجات والمضاعفات، وهناك العديد من المولدات التي تعمل على تخصيص تواتر النواتج لفرق مختلفة (مثلاً، وكميات المنخفضة، وشديدة).

القدرة على توريد الطاقة وتحملها

ويمكن أن يقترن الضغط على الطاقة الداخلية ويبدل الضوضاء من خلال مقياس الطاقة الداخلية بمسار الإشارة، مما يضيف طوابق مختلفة فضلا عن ضوضاء النطاق العريض، ويستخدم المولدات العالية الجودة أجهزة تنظيم خطية منخفضة الدقة، وتركيب دقيق لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، كما يمكن أن يؤدي سوء الضبط عند إنتاج المولدات (مثلاً، التسبب في انعكاسات) إلى تغيير الحد الأدنى الظاهري للضوضاء بسبب زيادة الضوضاء أو التعبئة.

Attenuator Settings

ويمكن أن يُحدث الضوضاء على الأطراف الخارجية أو الداخلية، إذ أن العناصر المقاومة للتوتر تساهم في الضوضاء الحرارية، ولكن هذه الضوضاء تقل عادة عن الضوضاء التي تعتبرها أجهزة الصراف الآلي ذات المستوى المولدي، ولكن عندما يتم تحديد المكثف في أقصى درجاته، فإن الضوضاء الداخلية التي تستخدم أجهزة الصراف الآلي تعمل على مضغوطة الضوضاء، وقد تهيمن الضوضاء التي تُعد على أجهزة الصرافة.

المرحلة رقم قياسي مقابل درجة الطول

ومن المهم التمييز بين الحد الأدنى للضوضاء في نطاق الكم الهائل والضوضاء في المرحلة، حيث إن الحد الأدنى للضوضاء الذي يقاس في محلل الطيف في ترددات الناقل يشمل كلا من الضوضاء المضادة للدبابات ومكونات الضوضاء التي تستخدمها الطيف الموحد، والضوضاء التي تظهر هي مجموع الحد الأدنى للضوضاء (وهو المعيار ذو الأهمية بالنسبة للتطبيقات الحساسة للكمية) والموصلات المتوازنة أو المحتوية على الترددية.

النمر العملي للتقليل من الحد الأدنى من الضواحي في نظام الاختبارات

وعند استخدام مولد الإشارة، يمكن استخدام الحد الأدنى من الضوضاء في القياس على النحو الأمثل بتقنية دقيقة:

  • Use a High-Pass or Bandpass Filter:] If testing at a specific frequency, a narrowband filter at the birth output can reduce out-of-band noise that could fold into the measurement bandwidth.
  • Grounding and Shielding:] Ensure proper ground connections and use shielded cables to minimize pickup of environmental noise.
  • Reduce Bandwidth:] On the measurement instrument, use the minimum resolution bandwidth that allows sufficient sweep speed. Every 10 dB reduction in RBW gives a 10 dB improvement in sensitivity (assuming noise is white).
  • Average over Multiple Traces:] Video averaging or trace averaging reduces the variation of the displayed noise, allowing better estimation of the noise floor.
  • Warm Up the Instrument:] Allow the signal birth and measurement instrument to reach thermal equilibrium before critical measurements.

مواصفات الحد الأدنى في صحائف البيانات

(ج) في كثير من الأحيان، تدرج بيانات المولدات الكهربائية الإشارة الحد الأدنى للضوضاء في ظروف محددة، مثل 1 جيهرتز، مع عدم إنتاج دي بي أم، وبعد فترة تسخين مدتها 30 دقيقة، تبحث عن المواصفات التي تستخدمها شركة âœNoise Floor (CW، و1 MHz معادلة، و1 Hz BW) أو مدفع هاون من طراز ConOSB، و260.

وكُن حذراً من قيم âœtypicalâ؛ وقد تمثل الأداء الوسيط على العديد من الوحدات، وكثيراً ما تكون المواصفات المضمونة أسوأ من ذلك ب3 â/ â/ ھ-6 / / / / / / / / / / / / / / / / // / / / / // / / / / / / //// / / / / // /////////////////////////// //////////////////////////////////// //////////// ////////////////////// / ///////////////////////////////

النظر في القياسات المتقدمة

الرقم مقابل ضواحي الضوضاء

وفي سياق مولدات الإشارة، يُعرَّف رقم الضوضاء بأنه نسبة كثافة الضوضاء الناتج إلى الضوضاء الحرارية عند درجة الحرارة المرجعية (290 كاف).

معايرة وقابلية التعقب

وبالنسبة لمولدات الإشارات التي تستخدم في استخدام الميكروولوجيا، فإن الحد الأدنى للضوضاء يُعاد قياسه بصورة روتينية على أساس معيار أولي (مثل مصدر الضوضاء البكتيرية أو معيار فولتاج جوزيفسون) ويضمن قابلية القياس للمعايير الوطنية أن القياسات التي تجرى مع المولد قابلة للتكرار، وعادة ما تكون فترات العيار 12 شهراً، ولكن ينبغي للمستعملين التحقق من الحد الأدنى للضوضاء قبل القياسات الحرجة.

مولدات رقمية ورقم قياسي

ويستخدم المولدات الحديثة المولدات الموجية التعسفية ومولدات إشارات الناقلات الحمضية (VSGs) لخلق موجة، ويحدث الحل النهائي للنقطة رقمية الضوضاء الكمي، التي تبدو كحد أدنى من الضوضاء ذات النطاق العريض، وكثيرا ما يؤدي الحد الأدنى من الضوضاء الأرضية في المدارات النووية إلى ارتفاع طفيف في الناتج من المواد الكيميائية الفلورية (14.76) إلى حد كبير.

خاتمة

إن الحد الأدنى من الضوضاء لمولد الإشارة هو مظلة أساسية تؤثر مباشرة على قياس مدى واسع من تطبيقات اختبار الترددات والموجات الدقيقة، ومن الضوضاء الحرارية والطلقات إلى التأثيرات الكمية، ومن خلال تحديد نطاق الحد الأدنى من الضوضاء، يمكن للمهندسين اختيار المولد المناسب، وتحديد أدائهم على النحو الصحيح، ومن خلال استخدام تقنيات قياس دقيقة مثل تحليل الضجيج، أو طريقة " يي-فكور " .

For further reading on noise measurement techniques, refer to Keysightâ TMs application note on noise figure measurements] and the ]Rohde " Schwarz guide to phase noise and noise floor measurements.