Il rumore di un generatore di segnale è un parametro critico che definisce il livello più basso di segnale che può produrre senza distorsione o interferenze. Capire questo concetto è essenziale per gli ingegneri e tecnici che lavorano nelle comunicazioni, nelle trasmissioni e nei test elettronici. In molti sistemi di misura, il rumore pavimento limita infine gamma dinamica, sensibilità e l'accuratezza della caratterizzazione del dispositivo.

Definire il pavimento del rumore in generatori di segnale

Nel contesto dei generatori di segnale, il rumore del pavimento è il residuo rumore a banda larga presente nel segnale di uscita quando il generatore è impostato per produrre un livello di segnale nominale. Questo rumore deriva da molteplici meccanismi fisici e può essere osservato come fluttuazioni casuali sovrapposti alla forma d'onda prevista. Il pavimento del rumore è generalmente espresso in dBm/Hz (decibels relativo a un milliwatt per hertz di larghezza di banda) o come densità spettica.

A differenza del rumore di fase, che descrive la stabilità della frequenza a breve termine, il pavimento del rumore riguarda variazioni di ampiezza attraverso un ampio range di frequenza. Un piano di rumore inferiore consente al generatore di produrre segnali più puliti, che è particolarmente importante quando si verificano ricevitori ad alta sensibilità, caratterizzando amplificatori a basso rumore, o eseguendo misurazioni di potenza adiacenti.

Rumore Termico (noise Johnson-Nyquist)

Il rumore termico è il contributo più fondamentale al rumore del pavimento. Si traduce dal movimento casuale dei portabatterie in componenti resistivi ed è proporzionale alla temperatura assoluta. La potenza di rumore disponibile da un resistore a temperatura T (in Kelvin) su una larghezza di banda B è data da kTB, dove k è costante di Boltzmann (1.38 è— 10-2374]

Rumore e Rumore Flicker

Il rumore degli urti deriva dalla discreta natura dei supporti di carica in semiconduttori, come nei transistor e nei diodi utilizzati nelle fasi di amplificazione di generazione del segnale e di uscita. È dominante a frequenze più elevate e aumenta con corrente media. Il rumore di Flicker (1/f noise) si verifica a basse frequenze ed è inversamente proporzionale alla frequenza.

Altri contributori

Ulteriori fonti di rumore includono l'alimentazione ondulata, i loop di terra, le interferenze elettromagnetiche (EMI), e il rumore di quantizzazione nei generatori di segnale digitali.

Perché Precise rumore pavimento di misurazione

La misurazione accurata del pavimento del rumore è essenziale per diversi motivi:

  • Caratterizzazione del dispositivo:[ Quando si verificano ricevitori, mixer o amplificatori, il rumore dello stimolo deve essere ben al di sotto del dispositivo sotto il proprio rumore (DUT) . Altrimenti, le prestazioni misurate saranno degradate.
  • Sistema gamma dinamica:[] Il pavimento del rumore imposta il limite inferiore della gamma di uscita utilizzabile del generatore di segnale. Un pavimento a rumore ridotto riduce l'effettiva gamma dinamica, limitando la capacità del generatore di simulare segnali deboli.
  • Test di conformità:[ Standard come ETSI, FCC, o 3GPP richiedono che le apparecchiature di prova abbiano un piano di rumore abbastanza basso da non interferire con la decisione pass/fail.
  • Calibrazione e Metrologia:[ Nei laboratori di calibrazione, il pavimento di rumore della fonte di riferimento deve essere conosciuto e tenuto conto per raggiungere i bilanci di incertezza tracciabili.

Impatto sul test di sensibilità del ricevitore

Un esempio classico sta testando la sensibilità di un ricevitore di comunicazione. La figura del rumore del ricevitore (NF) può essere, diciamo, 6 dB. Per misurare la sua sensibilità con precisione, il segnale di prova deve essere presentato con un pavimento di rumore almeno 10 dB sotto il pavimento di rumore equivalente del ricevitore. Se il pavimento di rumore del generatore di segnale è troppo alto, contribuirà al rumore di ingresso del ricevitore, aumentando artificialmente la lettura del rumore misurato e del rumore.

Metodi di misura per il pavimento del rumore del generatore di segnale

La misurazione del rumore di un generatore di segnale richiede un'attenta configurazione per separare il rumore del generatore dal rumore dello strumento di misura.

Misurazione diretta dell'analizzatore spettrale

L'approccio più semplice utilizza un analizzatore di spettro. Il generatore di segnale è impostato per produrre un tono CW a una frequenza specifica e livello di potenza. L'analizzatore è configurato con una larghezza di banda a risoluzione stretta (RBW) e il filtro video è mediato. Il pavimento di rumore viene osservato lontano dal vettore (ad esempio, ad una frequenza di offset > 10 kHz) per evitare il rumore di fase.

Tuttavia, questo metodo è influenzato dal pavimento del rumore dell'analizzatore e può richiedere un preamplificatore. Per ottenere risultati precisi, il pavimento del rumore dell'analizzatore deve essere di almeno 10 dB sotto il pavimento del rumore del generatore. Se questa condizione non è soddisfatta, può essere utilizzato un metodo di sottrazione fonte di rumore.

Metodo Y-Factor per pavimento di rumore

Il metodo Y-factor, comunemente usato per la misurazione della figura del rumore, può essere adattato per caratterizzare il rumore di un generatore di segnale. Richiede una fonte di rumore calibrata (ad esempio, un carico freddo attivo o un diodo del rumore) e un analizzatore di rumore o spettro. Il generatore è spento, la fonte del rumore è collegata, e due misure di potenza sonora sono prese: una con la sorgente del rumore su (hot) e una off (cold).

Questo metodo è più accurato della misura spettrale diretta perché rappresenta il contributo del ricevitore di misura e non richiede un ampio analizzatore dinamico dello spettro di gamma.

Tecnica di cross-correlazione

Per i generatori di rumore estremamente bassi (± -160 dBm/Hz), viene utilizzato un metodo di correzione incrociata. Due analizzatori indipendenti di spettro o due canali riceventi separati misurano lo stesso output del generatore di segnale. Il rumore del generatore è comune a entrambi i canali, mentre il rumore di ogni analizzatore non è correlato.

Analisi del dominio del tempo

Dopo la digitalizzazione, il FFT dei dati catturati produce la densità spettrale del rumore. Questo approccio richiede un'attenta calibrazione del rumore del digitalizzatore e della scalatura verticale. È più utile per i segnali pulsati o invarianti in cui la media spettrale può perdere il comportamento del rumore transitorio.

Fattori che influenzano il pavimento del rumore

Il rumore di un generatore di segnale non è un numero spec fisso; varia con le condizioni operative e le impostazioni. Capire questi fattori aiuta gli ingegneri a budget per il rumore nelle loro configurazioni di test.

Livello di potenza di uscita

In presenza di bassi valori di potenza (ad esempio -100 dBm), gli amplificatori interni del generatore sono in funzione a un basso guadagno, e il rumore dalla fase di uscita viene attenuato insieme al segnale. Al contrario, a potenze ad alta uscita, gli amplificatori sono spinti più duramente, e il rumore del pavimento può aumentare a causa di un aumento del rumore termico e del colpo.

Fattori di temperatura e di ambiente

Come accennato, il rumore termico è proporzionale alla temperatura assoluta. Un generatore che opera in un laboratorio di 25 °C avrà un pavimento di rumore di circa 0,1 dB superiore a 20 °C per ogni grado di aumento a causa della relazione lineare.

Frequenza Gamma e Band Plan

Il rumore del pavimento non è generalmente piatto attraverso la gamma di frequenze del generatore. A frequenze inferiori (ad esempio, sotto 1 MHz), il rumore di flicker domina, alzando il pavimento del rumore. A frequenze a microonde più elevate, il rumore a banda larga da miscelatori e moltiplicatori può aumentare. Molti generatori di segnale hanno percorsi di uscita dedicati per bande diverse (ad esempio, banda bassa, fascia alta) con diverse caratteristiche di rumore.

Potenza di alimentazione e impedenza di stabilità

Il rumore di ondulazione e commutazione dell'alimentazione interna può accoppiarsi al percorso del segnale, aggiungendo spruzzi discreti e rumore a banda larga. I generatori di alta qualità utilizzano regolatori lineari a basso rumore e un'attenta disposizione del PCB. L'impedenza mismatch all'uscita del generatore (ad esempio, causando riflessi) può anche alterare il pavimento del rumore apparente a causa di una maggiore modulazione del rumore di fase o dell'ampiezza.

Impostazioni dell'azionatore

Gli elementi resistivi dell'attenuatore contribuiscono al rumore termico, ma il rumore interno del generatore è generalmente inferiore al rumore del generatore. Tuttavia, quando l'attenuatore è impostato alla sua massima attenuazione, il rumore interno del generatore è fortemente attenuato, e il pavimento del rumore può essere dominato dal rumore termico dell'attenuatore o dal rumore dello strumento di misura.

Rumore di fase rispetto al pavimento del rumore di ampiezza

Il rumore misurato in un analizzatore di spettro ad una frequenza di offset dal vettore include sia i componenti di rumore AM che quelli PM. Con un analizzatore di spettro standard, il rumore visualizzato è la somma di entrambi. Per misurare solo il pavimento di rumore AM (che è il parametro rilevante per applicazioni di amplificazione-sensibili), un ricevitore bilanciato o un rilevatore AM può essere utilizzato sia per la maggior parte delle specifiche del generatore di fase che per il termine "banda"

Consigli pratici per il Minimizing Noise Floor in Setup di test

Quando si utilizza un generatore di segnale, il pavimento di rumore di misura può essere ottimizzato con una tecnica attenta:

  • Utilizza un filtro High-Pass o Bandpass:[] Se il test a una frequenza specifica, un filtro a banda stretta all'uscita del generatore può ridurre il rumore out-of-band che potrebbe piegarsi nella larghezza di banda di misura.
  • Grounding e Shielding:[ Assicurare le connessioni di terra corrette e utilizzare cavi schermati per ridurre al minimo il recupero di rumore ambientale.
  • Ridurre Larghezza di banda:[[] Nello strumento di misura, utilizzare la larghezza di banda di risoluzione minima che consente una velocità di spazzamento sufficiente. Ogni riduzione 10 dB in RBW fornisce un miglioramento 10 dB nella sensibilità (supponendo che il rumore sia bianco).
  • L'osservazione su Tracce multiple:[ La mediazione video o la traccia media riducono la varianza del rumore visualizzato, permettendo una migliore stima del pavimento del rumore.
  • Aggiungi l'apparecchio:[ Permettere al generatore di segnale e allo strumento di misura di raggiungere l'equilibrio termico prima delle misurazioni critiche.

Interpretare le specifiche del pavimento del rumore in Schede tecniche

I fogli di dati del generatore di segnale spesso elencano il pavimento del rumore in condizioni specifiche, come ad esempio a 1 GHz, con 0 dBm di uscita, e dopo un riscaldamento di 30 minuti.

Siate cauti dei valori di “tipica”; possono rappresentare le prestazioni mediane su molte unità. Le specifiche garantite sono spesso 3 –6 dB peggiori. Inoltre, il rumore del pavimento può degradare quando si utilizza la modulazione o per forme d’onda non CW, come OFDM, a causa di maggiori rapporti di picco-media e di aumento del rumore digitale.

Considerazioni di misurazione avanzate

Figura del rumore rispetto al pavimento del rumore

Nel contesto dei generatori di segnale, la figura del rumore (NF) è definita come il rapporto della densità di rumore di uscita al rumore termico alla temperatura di riferimento (290 K). NF (dB) = densità di rumore di uscita (dBm/Hz) – (-174 dBm/Hz). Per un generatore con un pavimento di rumore di -160 dBm/Hz, il NF è di 14 dB. Questo generatore di rappresentazione è utile quando si sta incascading un altro.

Calibrazione e Tracciabilità

Per i generatori di segnale di livello metrologico, il pavimento del rumore viene calibrato di routine contro uno standard primario (ad esempio, una fonte di rumore criogenico o uno standard di tensione di Josephson). La tracciabilità agli standard nazionali garantisce che le misurazioni effettuate con il generatore siano riproducibili.

Generatori digitali e rumore di quantizzazione

I generatori di corrente alternata (AWGs) e i generatori di segnale vettoriali (VSGs) utilizzano DAC per creare la forma d'onda. La risoluzione finita del DAC introduce il rumore di quantizzazione, che appare come un pavimento di rumore a banda larga. Il pavimento di quantizzazione teorica del rumore di un DAC N-bit è approssimativamente -6.02 N – 1.76 dBFS (scala totale).

Conclusioni

Il rumore di un generatore di segnale è un parametro fondamentale che influisce direttamente sulla precisione della misurazione in un'ampia gamma di applicazioni di test RF e microonde. Dal rumore termico e colpo agli effetti di quantizzazione e ai limiti del sistema di misurazione, la comprensione della scienza dietro il pavimento del rumore consente agli ingegneri di selezionare il generatore giusto, impostare correttamente le sue prestazioni e interpretare correttamente le sue prestazioni.

Per ulteriori informazioni sulle tecniche di misurazione del rumore, fare riferimento alla nota di applicazione Keysight sulle misurazioni della figura del rumore[[] e alla guida Rohde & Schwarz per le misurazioni del rumore di fase e del rumore del pavimento.