Le plancher sonore d'un générateur de signal est un paramètre critique qui définit le niveau le plus bas de signal qu'il peut produire sans distorsion ni interférence. Comprendre ce concept est essentiel pour les ingénieurs et les techniciens qui travaillent dans les communications, la radiodiffusion et les essais électroniques.Dans de nombreux systèmes de mesure, le plancher sonore limite en fin de compte la portée dynamique, la sensibilité et la précision de la caractérisation des appareils.

Définition du plancher de bruit dans les générateurs de signaux

Dans le contexte des générateurs de signaux, le plancher de bruit est le bruit à large bande résiduel présent dans le signal de sortie lorsque le générateur est réglé pour produire un niveau de signal nominal. Ce bruit provient de multiples mécanismes physiques et peut être observé comme des fluctuations aléatoires superposées sur la forme d'onde prévue. Le plancher de bruit est généralement exprimé en dBm/Hz (décibels par rapport à un milliwatt par hertz de bande passante) ou comme la densité spectrale de bruit.

Contrairement au bruit de phase, qui décrit la stabilité de la fréquence à court terme, le plancher de bruit concerne les variations d'amplitude sur une large gamme de fréquences. Un plancher de bruit plus faible permet au générateur de produire des signaux plus propres, ce qui est particulièrement important lors des essais de récepteurs à haute sensibilité, de la caractérisation des amplificateurs à faible bruit ou de l'exécution de mesures de puissance à canal adjacent.

Bruit thermique (Johnson-Nyquist)

Le bruit thermique est le facteur le plus fondamental du plancher de bruit. Il résulte du mouvement aléatoire des porteurs de charge dans les composants résistifs et est proportionnel à la température absolue. La puissance de bruit disponible d'une résistance à température T (à Kelvin) sur une bande passante B est donnée par kTB, où k est la constante Boltzmannâ € TM (1.38 à 10-23 J/K). À température ambiante (290 K), cela équivaut à environ -174 dBm/Hz. Tout générateur de signal pratique aura un plancher de bruit au-dessus de cette limite théorique en raison de composants actifs et de sources supplémentaires.

Bruit de tir et bruit de flicker

Le bruit de tir est dû à la nature discrète des porteurs de charge dans les semi-conducteurs, comme dans les transistors et les diodes utilisés pour la production et l'amplification des signaux. Il est dominant à des fréquences plus élevées et augmente avec le courant moyen. Le bruit de flicker (1/f) se produit à de basses fréquences et est inversement proportionnel à la fréquence.

Autres contributeurs

Les sources de bruit supplémentaires comprennent l'onduleur d'alimentation, les boucles au sol, les interférences électromagnétiques (IME) et le bruit de quantification dans les générateurs de signaux numériques.

Pourquoi la mesure précise du bruit au sol compte-t-elle?

Une mesure précise du plancher sonore est essentielle pour plusieurs raisons:

  • Caractérisation des dispositifs:[ Lors des tests de récepteurs, de mélangeurs ou d'amplificateurs, le bruit de stimulus doit être bien en dessous du bruit propre de l'appareil soumis à l'essai (DUT)â € TM s. Sinon, la performance mesurée sera dégradée.
  • System Dynamic Range: Le plancher de bruit fixe la limite inférieure de la gamme de sortie du générateur de signalâ € TM utilisable. Un plancher de bruit faible réduit la portée dynamique efficace, limitant la capacité du générateurâ € TM s de simuler des signaux faibles.
  • Essai de conformité :[ Les normes telles que l'ETSI, FAC ou 3GPP exigent que l'équipement d'essai ait un plancher sonore suffisamment bas pour ne pas interférer avec la décision de réussite ou d'échec.
  • Calibration et métrologie:[ Dans les laboratoires d'étalonnage, le plancher de référence doit être connu et comptabilisé pour atteindre des budgets d'incertitude traçables.

Impact sur les tests de sensibilité du récepteur

Un exemple classique est de tester la sensibilité d'un récepteur de communication. Le récepteurâ € TM sa propre figure de bruit (NF) peut être, par exemple, 6 dB. Pour mesurer sa sensibilité avec précision, le signal de test doit être présenté avec un plancher de bruit au moins 10 dB sous le plancher de bruit équivalent du récepteur. Si le générateur de signalâ € TM le plancher de bruit est trop élevé, il contribuera au bruit d'entrée du récepteurâ € TM s, augmentant artificiellement le plancher de bruit mesuré et donnant une lecture de sensibilité optimiste.

Méthodes de mesure du bruit provenant du générateur de signaux

La mesure du plancher sonore d'un générateur de signal nécessite une installation minutieuse pour séparer le bruit du générateurâ € TM s du bruit de l'instrument de mesureâ € TM s. Plusieurs techniques établies existent.

Mesure directe de l'analyseur spectral

L'analyseur est configuré avec une bande passante à résolution étroite (RBW) et le filtre vidéo est moyen. Le plancher de bruit est observé loin du support (par exemple, à une fréquence décalée > 10 kHz) pour éviter le bruit de phase. Le plancher de bruit affiché doit être corrigé pour la bande passante de mesure (corrigation du marqueur de bruit) en utilisant la formule : Densité de bruit (dBm/Hz) = Puissance mesurée (dBm) â € 10 log(RBW).

Cependant, cette méthode est influencée par le propre plancher de bruit de l'analyseurâ € TM s et peut nécessiter un préamplificateur. Pour obtenir des résultats précis, le plancher de bruit de l'analyseurâ € TM s doit être au moins 10 dB sous le plancher de bruit du générateurâ € TM s. Si cette condition n'est pas satisfaite, une méthode de soustraction de source de bruit peut être utilisée.

Méthode Y-Facteur pour plancher de bruit

La méthode Y-facteur, couramment utilisée pour mesurer les valeurs sonores, peut être adaptée pour caractériser le plancher sonore d'un générateur de signal. Il nécessite une source de bruit étalonnée (par exemple, une charge à froid active ou une diode sonore) et un compteur de puissance ou un analyseur de spectre. Le générateur est éteint, la source de bruit est connectée, et deux mesures de puissance sont prises: une avec la source de bruit sur (chaud) et une hors (froid). Le facteur Y est le rapport entre les puissances sonores chaudes et froides.

Cette méthode est plus précise que la mesure spectrale directe car elle tient compte de la contribution du récepteur de mesure au bruit et ne nécessite pas un analyseur de spectre dynamique large.

Technique de corrélation croisée

Pour les générateurs de planchers à très faible bruit (< -160 dBm/Hz), on utilise une méthode de corrélation croisée. Deux analyseurs de spectre indépendants ou deux canaux récepteurs distincts mesurent la même sortie du générateur de signal. Le bruit du générateur est commun aux deux canaux, tandis que le bruit de chaque analyseur n'est pas corrélé. En corrélant les deux mesures et en moyenne de nombreux enregistrements, le bruit non corrélé moyenne, révélant le générateurâ € TM le plancher de bruit profond sous le propre bruit de l'analyseurâ € TM. Cette technique est couramment employée dans les instituts nationaux de métrologie.

Analyse du domaine temporel

En utilisant un oscilloscope à grande vitesse ou un numériseur, on peut capturer la forme d'onde sonore à la sortie du générateurâ € TM s. Après la numérisation, la FFT des données capturées donne la densité spectrale du bruit. Cette approche nécessite un calibrage soigneux du bruit de la numériseurâ € TM s et l'échelle verticale. Il est plus utile pour les signaux pulsés ou variables du temps où la moyenne spectrale peut manquer le comportement du bruit transitoire.

Facteurs qui influencent le plancher de bruit

Le plancher sonore d'un générateur de signal n'est pas un nombre de spécifications fixes; il varie selon les conditions d'exploitation et les paramètres.

Niveau de puissance de sortie

Dans les réglages de puissance à faible puissance (par exemple -100 dBm), les amplificateurs internes du générateur sont exploités à un faible gain, et le bruit de la sortie est atténué avec le signal. Inversement, à des puissances de sortie élevées, les amplificateurs sont plus durs, et le plancher de bruit peut augmenter en raison de l'augmentation du bruit thermique et de la prise de vue.

Température et facteurs environnementaux

Comme mentionné, le bruit thermique est proportionnel à la température absolue. Un générateur fonctionnant dans un laboratoire de 25°C aura un plancher de bruit d'environ 0,1 dB plus élevé qu'à 20°C pour chaque degré de montée en raison de la relation linéaire. Plus important, l'élévation de la température interne du refroidissement actif ou de la dissipation de puissance peut faire bouger le plancher de bruit pendant le fonctionnement.

Fréquence et plan de bande

Le plancher de bruit n'est généralement pas plat dans la gamme de fréquences du générateurâ € TM s. Aux fréquences inférieures (par exemple, en dessous de 1 MHz), le bruit de clignotant domine, soulevant le plancher de bruit. Aux fréquences plus élevées du micro-ondes, le bruit large bande des mélangeurs et des multiplicateurs peut augmenter. De nombreux générateurs de signal ont des chemins de sortie dédiés pour différentes bandes (par exemple, bande basse, bande haute) avec différentes caractéristiques du bruit.

Stabilité de l'alimentation électrique et mitssification de l'impédance

Les générateurs de haute qualité utilisent des régulateurs linéaires à faible bruit et une disposition soignée des PCB. L'inadéquation de l'impédance à la sortie du générateur (par exemple, provoquant des réflexions) peut également modifier le plancher sonore apparent en raison d'une modulation accrue du bruit de phase ou de l'amplitude.

Paramètres de l' atténuateur

Les éléments résistifs atténuateurs(€ TM) contribuent au bruit thermique, mais ce bruit est généralement inférieur au propre bruit du générateur(€ TM). Cependant, lorsque l'atténuateur est réglé à son atténuation maximale, le bruit interne du générateur(€ TM) est fortement atténué, et le plancher de bruit peut être dominé par le bruit thermique de l'atténérateur(€ TM) ou le bruit de l'instrument($ TM).

Phase Bruit par rapport à Amplitude Bruit Floor

Il est important de distinguer entre le bruit d'amplitude et le bruit de phase. Le bruit de plancher mesuré dans un analyseur de spectre à une fréquence décalée du transporteur comprend à la fois le bruit AM et les composants sonores PM. Avec un analyseur de spectre standard, le bruit affiché est la somme des deux. Pour mesurer seulement le bruit de plancher AM (qui est le paramètre pertinent pour les applications sensibles à l'amplitude), un récepteur équilibré ou un détecteur AM peut être utilisé.

Conseils pratiques pour réduire au minimum le bruit dans les configurations d'essai

Lors de l'utilisation d'un générateur de signal, le plancher de mesure du bruit peut être optimisé avec une technique prudente:

  • Utilisez un filtre passe-haut ou passe-bande :[ Si l'on teste à une fréquence donnée, un filtre à bande étroite à la sortie du générateur peut réduire le bruit hors bande qui pourrait se plier dans la bande passante de mesure.
  • Grounding and Shielding:[ Assurer des connexions au sol appropriées et utiliser des câbles blindés pour minimiser la collecte du bruit ambiant.
  • Reduce Bande passante:[ Sur l'instrument de mesure, utilisez la bande passante de résolution minimale qui permet une vitesse de balayage suffisante. Chaque réduction de 10 dB de RBW donne une amélioration de 10 dB de sensibilité (en supposant que le bruit est blanc).
  • Moyenne sur plusieurs traces: La moyenne vidéo ou la moyenne des traces réduit la variance du bruit affiché, ce qui permet une meilleure estimation du plancher de bruit.
  • La température de l'instrument :[ Permet au générateur de signaux et à l'instrument de mesure d'atteindre l'équilibre thermique avant les mesures critiques.

Interprétation des spécifications du plancher de bruit dans les fiches techniques

Les fiches signalétiques du générateur de signal énumèrent souvent le plancher sonore dans des conditions spécifiques, comme à 1 GHz, avec 0 dBm de sortie, et après un réchauffement de 30 minutes. Cherchez les spécifications comme â € œBoise Floor (CW, 1 MHz offset, 1 Hz BW)â € ou â € œSSB Phase Noiseâ € (qui est différent). Pour le bruit à large bande, la spécification peut être donnée comme une valeur typique, par exemple, -160 dBc/Hz à 20 kHz offset. Convertissez ceci en dBm/Hz en utilisant le niveau de support de référence: si le transporteur est 0 dBm, alors -160 dBc/Hz égale -160 dBm/Hz. Mais notez que cela inclut à la fois AM et PM; le plancher de bruit d'amplitude réelle pourrait être 3 dB inférieur.

Soyez prudents des valeurs de â € œtypiqueâ € , ils peuvent représenter la performance médiane sur de nombreuses unités. Les spécifications garanties sont souvent 3â € ,6 dB pire. De plus, le plancher de bruit peut se dégrader lors de l'utilisation de modulation ou pour des formes d'onde non CW, comme OFDM, en raison de rapports de pointe à moyenne plus élevés et d'un bruit numérique accru.

Considérations avancées en matière de mesure

Figure du bruit par rapport au plancher de bruit

Dans le contexte des générateurs de signaux, la valeur du bruit (NF) est définie comme le rapport de la densité sonore de sortie au bruit thermique à la température de référence (290 K). NF (dB) = densité sonore de sortie (dBm/Hz) â € (-174 dBm/Hz). Pour un générateur avec un plancher de bruit de -160 dBm/Hz, le NF est de 14 dB. Cette représentation est utile lors du cacanage du générateur avec d'autres composants dans un système.

Étalonnage et traçabilité

Pour les générateurs de signaux de qualité métrologique, le plancher acoustique est systématiquement étalonné par rapport à un standard primaire (par exemple, une source de bruit cryogénique ou une norme de tension Josephson). La traçabilité par rapport aux normes nationales garantit que les mesures effectuées avec le générateur sont reproductibles.

Générateurs numériques et bruit de quantification

Les générateurs de forme d'onde (AWG) et les générateurs de signaux vectoriels (VSG) utilisent les DAC pour créer la forme d'onde. La résolution finie du DAC introduit le bruit de quantification, qui apparaît comme un plancher de bruit à large bande. Le plancher de bruit de quantification théorique d'un DAC N-bit est d'environ -6,02 N â € 1,76 dBFS (à pleine échelle). Par exemple, un DAC 14 bits donne environ -86 dBFS. Ceci est beaucoup plus élevé que le plancher de bruit thermique, si nombreux sont les générateurs qui utilisent le dithage et le suréchantillonnage pour réduire son effet.

Conclusion

Le plancher de bruit d'un générateur de signal est un paramètre fondamental qui influe directement sur la précision de la mesure dans une large gamme d'applications d'essai RF et micro-ondes. Du bruit thermique et de tir aux effets de quantification et aux limites du système de mesure, la compréhension de la science derrière le plancher de bruit permet aux ingénieurs de sélectionner le générateur approprié, de le mettre en place correctement et d'interpréter correctement ses performances.

Pour plus de détails sur les techniques de mesure du bruit, voir Note d'application de Keysightâ € TM sur les mesures des chiffres du bruit et le [Rohde & Schwarz guide pour les mesures du bruit de phase et du bruit au sol.