De geluidsvloer van een signaalgenerator is een kritische parameter die het laagste signaalniveau bepaalt dat het kan produceren zonder vervorming of interferentie. Het begrijpen van dit concept is essentieel voor ingenieurs en technici die werken in communicatie, omroep en elektronische testen. In veel meetsystemen beperkt de geluidsvloer uiteindelijk het dynamische bereik, de gevoeligheid en de nauwkeurigheid van de apparaatkarakterisering. Dit artikel biedt een uitgebreide blik op de wetenschap achter signaalgeneratorgeluidsvloer, meettechnieken, beïnvloedende factoren en praktische strategieën voor het optimaliseren van de prestaties.

De definitie van de geluidsvloer in signaalgeneratoren

In de context van signaalgeneratoren is de geluidsvloer het resterende breedbandgeluid aanwezig in het uitgangssignaal wanneer de generator een nominaal signaalniveau moet produceren. Dit geluid ontstaat uit meerdere fysieke mechanismen en kan worden waargenomen als willekeurige schommelingen die op de beoogde golfvorm worden uitgeoefend. De geluidsvloer wordt meestal uitgedrukt in dBm/Hz (decibels ten opzichte van één milliwatt per hertz bandbreedte) of als de geluidsspectraaldichtheid.

In tegenstelling tot fasegeluid, dat de stabiliteit van de korte-termijnfrequentie beschrijft, betreft de geluidsvloer amplitudevariaties over een breed frequentiebereik. Een lagere geluidsvloer stelt de generator in staat schonere signalen te produceren, wat vooral belangrijk is bij het testen van hoge gevoeligheidsontvangers, het karakteriseren van versterkers met lage geluidssterkte of het uitvoeren van aangrenzende vermogensmetingen.

Thermische ruis (Johnson-Nyquist Noise)

Thermische ruis is de meest fundamentele bijdrage aan de geluidsvloer. Het is het resultaat van de willekeurige beweging van lading dragers in weerbestendige componenten en is evenredig aan de absolute temperatuur. De beschikbare geluidsvermogen van een weerstand bij temperatuur T (in Kelvin) over een bandbreedte B wordt gegeven door kTB, waar k is Boltzmannâ € TM s constant (1.38 Ã

Schotgeluid en flikkerende geluiden

Het geluid van de schoten ontstaat door de discrete aard van de ladingdragers in halfgeleiders, zoals in transistors en diodes gebruikt in signaalgeneratie en output versterking stadia. Het is dominant bij hogere frequenties en neemt toe met de gemiddelde stroom. Flicker lawaai (1 / f lawaai) treedt op lage frequenties en is omgekeerd evenredig met frequentie. Hoewel het effect op de geluidsvloer kan worden geminimaliseerd door een zorgvuldige circuit ontwerp, blijft het een beperking in breedband signaalgeneratoren.

Andere contribuanten

Extra geluidsbronnen omvatten stroomtoevoer rimpel, grondlussen, elektromagnetische interferentie (EMI), en quantization lawaai in digitale signaalgeneratoren. Hoogwaardige signaalgeneratoren gebruiken meerdere filterfasen, precisiespanning referenties, en afscherming om deze bijdragen te verminderen.

Waarom precies geluidsbelastingsmetingen

Nauwkeurige meting van de geluidsvloer is om verschillende redenen essentieel:

  • Apparatuur Karakterisatie: Bij het testen van ontvangers, mixers, of versterkers, de stimulans lawaai moet ver onder het apparaat te testen (DUT)â € TM s eigen geluid. Anders, de gemeten prestaties zullen worden afgebroken.
  • Systeem Dynamic Range: De ruisvloer stelt de ondergrens van het signaal generatorâ € TM s bruikbaar output bereik. Een slechte geluidsvloer vermindert de effectieve dynamische bereik, het beperken van de generatorâ € TM s vermogen om zwakke signalen te simuleren.
  • Compliance Testing: Normen zoals ETSI, FCC of 3GPP vereisen dat de testapparatuur een geluidsvloer heeft die laag genoeg is om de beslissing over het passeren/de niet-ingrijpen niet te verstoren.
  • Kalibratie en Metrologie: In kalibratielabs, de referentie bronâ € TM s geluidsvloer moet bekend zijn en verantwoord om traceerbare onzekerheid budgetten te bereiken.

Effect op gevoeligheidstesten voor ontvangers

Een klassiek voorbeeld is het testen van de gevoeligheid van een communicatie ontvanger. De receiverâ € TM s eigen ruis figuur (NF) kan, zeg, 6 dB. Om de gevoeligheid nauwkeurig te meten, het testsignaal moet worden gepresenteerd met een geluidsvloer ten minste 10 dB onder de gelijkwaardige geluidsvloer van de ontvanger. Als het signaal generatorâ € TM s ruis vloer is te hoog, zal het bijdragen aan de receiverâ € TM s input lawaai, kunstmatig verhogen van de gemeten geluidsvloer en het opleveren van een optimistische gevoeligheid lezing.

Meetmethoden voor geluidsvloer van de signaalgenerator

Meten van de geluidsvloer van een signaalgenerator vereist zorgvuldige opstelling om de generatorâ € TM s lawaai van de meetinstrumentâ € TM s lawaai. Verschillende gevestigde technieken bestaan.

Spectrale analyse direct meten

De meest eenvoudige benadering maakt gebruik van een spectrumanalyser. De signaalgenerator is ingesteld op een CW-tone op een specifieke frequentie en een vermogensniveau. De analysator is geconfigureerd met een smalle resolutie bandbreedte (RBW) en het videofilter wordt gemiddeld. De geluidsvloer wordt waargenomen weg van de drager (bijvoorbeeld bij een frequentie offset > 10 kHz) om fasegeluid te voorkomen. De getoonde geluidsvloer moet worden gecorrigeerd voor de meetbandbreedte (geluidsmarkeringcorrectie) met behulp van de formule: Geluidsdichtheid (dBm/Hz) = Gemeten vermogen (dBm) â€

Echter, deze methode wordt beïnvloed door de analyserâ € TM s eigen geluidsvloer en kan een voorversterker nodig. Om nauwkeurige resultaten te verkrijgen, de analyserâ € TM s geluidsvloer moet ten minste 10 dB onder de generatorâ € TM s geluidsvloer. Als deze voorwaarde niet wordt voldaan, een geluidsbron aftrekken methode kan worden gebruikt.

Y-factormethode voor geluidsvloer

De Y-factor methode, die gewoonlijk wordt gebruikt voor het meten van geluidscijfers, kan worden aangepast om de geluidsvloer van een signaalgenerator te karakteriseren. Het vereist een gekalibreerde geluidsbron (bv. een actieve koude belasting of een geluidsdiode) en een vermogensmeter of spectrumanalysator. De generator wordt uitgeschakeld, de geluidsbron wordt aangesloten en er worden twee vermogensmetingen uitgevoerd: één met de geluidsbron (warm) en één met een uit (koud). De Y-factor is de verhouding van warm tot koud geluid. Door het kennen van de ENR (Excess Noise Ratio) van de geluidsbron, kan de systeemgeluidstemperatuur (inclusief de generatorâ€TM's output) worden berekend. Vervolgens wordt de eigen geluidsvloer van de generatorâ€TM's gewonnen door het geluid van het meetsysteem te ont-embeden.

Deze methode is nauwkeuriger dan directe spectrale meting omdat het verantwoordelijk is voor de meetontvangerâ € TM s ruis bijdrage en heeft geen brede dynamische spectrum analyser nodig.

Cross-Correlation Technique

Voor extreem lage geluidsvloer generatoren (< -160 dBm/Hz), een cross-correlation methode wordt gebruikt. Twee onafhankelijke spectrum analysers of twee afzonderlijke ontvanger kanalen meten dezelfde signaalgenerator uitgang. Het geluid van de generator is gebruikelijk voor beide kanalen, terwijl het geluid van elke analysator is niet-correlated. Door cross-correling van de twee metingen en het middelen van vele records, de oncorrelated geluid gemiddelden uit, onthullen de generatorâ € TM s ruis vloer diep onder de analyserâ € TM s eigen lawaai. Deze techniek wordt vaak gebruikt in nationale metrologie instituten.

Analyse van tijddomein

Met behulp van een hoge snelheid oscilloscoop of een digitalizer, kan men de geluidsgolfvorm bij de generatorâ € TM s output vangen. Na digitalisering, de UMTS van de opgenomen gegevens levert de ruis spectrale dichtheid. Deze aanpak vereist zorgvuldige kalibratie van de digitizerâ € TM s ruis en verticale schaalvergroting. Het is het meest nuttig voor gepulseerde of tijd-variante signalen waar spectrale gemiddelde kan missen voorbijgaande ruisgedrag.

Factoren die de geluidsvloer beïnvloeden

De geluidsvloer van een signaalgenerator is geen vast specnummer; het varieert met de bedrijfsomstandigheden en instellingen. Het begrijpen van deze factoren helpt ingenieurs budgetteren voor lawaai in hun test opstellingen.

Vermogensniveau van de output

Bij lage output power instellingen (bijv., -100 dBm), de generatorâ € TM s interne versterkers werken op een lage winst, en het geluid van de output fase wordt verzwakt samen met het signaal. Omgekeerd, bij hoge output machten, de versterkers worden harder aangedreven, en de geluidsvloer kan stijgen als gevolg van verhoogde thermische en schot lawaai. Sommige signaalgeneratoren vertonen een trade-off: de carrier-to-lawise ratio (CCR) verbetert bij hogere output niveaus omdat de geluidsvloer groeit langzamer dan het signaal.

Temperatuur en omgevingsfactoren

Zoals vermeld, thermische geluid is evenredig met de absolute temperatuur. Een generator die werkt in een 25°C lab zal een geluidsvloer ongeveer 0,1 dB hoger dan bij 20°C voor elke graad van stijging als gevolg van de lineaire relatie. Belangrijker, interne temperatuurstijging van actieve koeling of stroomverlies kan de geluidsvloer te verschuiven tijdens de werking. Generatoren met temperatuur-gecompenseerde circuits minimaliseren deze drift.

Frequentiebereik en bandplan

De ruisvloer is meestal niet vlak over de generatorâ € TM s frequentie bereik. Bij lagere frequenties (bijv. onder 1 MHz), flikker lawaai domineert, verhogen van de ruisvloer. Bij hogere microgolffrequenties, de breedband ruis van mixers en multipliers kan toenemen. Veel signaalgeneratoren hebben speciale output paden voor verschillende banden (bijv., lage band, hoge band) met verschillende ruis kenmerken. Meting moet worden uitgevoerd op de frequentie van belang voor de toepassing.

Stabiliteit van de voeding en impedantie-mismatch

Rimpelen en het schakelen van lawaai van de interne voeding kan koppelen in het signaal pad, het toevoegen van discrete sporen en breedbandruis. Hoogwaardige generatoren maken gebruik van laag-ruis lineaire regelaars en zorgvuldige PCB-lay-out. Impedantie mismatch bij de generator uitgang (bijvoorbeeld, waardoor reflecties) kan ook de schijnbare geluidsvloer te veranderen als gevolg van verhoogde fasegeluid of amplitude modulatie.

Verzachtende instellingen

Externe of interne stap dempingen kan ruis introduceren. De dempingâ € TM s weerbestendige elementen dragen thermische ruis, maar dat geluid is meestal lager dan de generatorâ € TM s eigen geluid. Echter, wanneer de demping is ingesteld op zijn maximale demping, de generatorâ € TM s interne lawaai wordt zwaar verzwakt, en de geluidsvloer kan worden gedomineerd door de dempingâ € TM s thermische lawaai of de meetinstrumentâ € TM s lawaai. Dit effect moet worden overwogen bij het meten van lage-niveau signalen.

Fase Geluid versus Amplitude Geluidsvloer

Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen de amplitude ruis vloer en fase lawaai. De geluidsvloer gemeten in een spectrum analysator op een frequentie offset van de drager omvat zowel AM-ruis en PM-ruiscomponenten. Met een standaard spectrum analyser, het weergegeven geluid is de som van beide. Om alleen de AM-ruis vloer (dat is de relevante parameter voor amplitude-gevoelige toepassingen), een evenwichtige ontvanger of een AM-detector kan worden gebruikt. Echter, voor de meeste signaalgenerator specificaties, de term â € œnoise vloerâ € .. verwijst naar de totale breedband ruis spectrale dichtheid, met inbegrip van amplitude en fase-bijdragen.

Praktische tips voor het minimaliseren van geluidsvloeren in testinstellingen

Bij gebruik van een signaalgenerator kan de geluidsvloer met zorgvuldige techniek worden geoptimaliseerd:

  • Gebruik een High-Pass of Bandpass Filter: Als het testen met een specifieke frequentie, een smalband filter aan de uitgang van de generator kan verminderen out-of-band lawaai dat zou kunnen vouwen in de meetbandbreedte.
  • Omgeving en afscherming: Zorg voor goede grondverbindingen en gebruik afgeschermde kabels om het oppikken van omgevingslawaai te minimaliseren.
  • Verminder Bandbreedte: Gebruik op het meetinstrument de minimale resolutiebandbreedte die voldoende veegsnelheid toelaat. Elke 10 dB reductie in RBW geeft een 10 dB verbetering in gevoeligheid (als geluid wit is).
  • Gemiddelde over meerdere Traces: Videogemiddelde of spoorgemiddelde vermindert de variatie van het weergegeven geluid, waardoor een betere schatting van de geluidsvloer mogelijk is.
  • Warm Up the Instrument: Laat de signaalgenerator en het meetinstrument voor kritische metingen het thermische evenwicht bereiken.

Specificaties van de geluidsvloer in datasheets

Signaalgenerator datasheets vaak de geluidsvloer onder specifieke omstandigheden, zoals bij 1 GHz, met 0 dBm uitgang, en na een 30-minuten warming-up. Kijk voor de specificatie als â € œNoise Floor (CW, 1 MHz offset, 1 Hz BW)â € œSSB Fase Noiseâ € . (die verschillend is). Voor breedband lawaai, de spec kan worden gegeven als een typische waarde, bijvoorbeeld, -160 dBc/Hz bij 20 kHz offset. Converteer dit naar dBm / Hz met behulp van de referentie drager niveau: als de drager is 0 kV, dan -160 dBc/Hz is -160 dBm/Hz. Maar let op dat dit zowel AM als PM; de echte amplitude geluidsvloer kan 3 dB lager zijn.

Wees voorzichtig met â € œtypica € .. waarden; ze kunnen de mediane prestaties vertegenwoordigen over vele eenheden. Gegarandeerde specificaties zijn vaak 3â € .6 dB erger . Bovendien , de geluidsvloer kan afbreken bij het gebruik van modulatie of voor niet-CW golfvormen , zoals OFDM , als gevolg van hogere piek-tot-gemiddelde ratio's en verhoogde digitale ruis .

Geavanceerde meetoverwegingen

Geluidsgrafiek versus geluidsvloer

In de context van signaalgeneratoren, wordt het geluid figuur (NF) gedefinieerd als de verhouding van de uitgangsgeluidsdichtheid tot het thermische geluid bij de referentietemperatuur (290 K). NF (dB) = Output ruisdichtheid (dBm/Hz) â € . . . . Voor een generator met een geluidsvloer van -160 dBm/Hz, de NF is 14 dB. Deze weergave is nuttig bij het cascading van de generator met andere componenten in een systeem.

Kalibratie en traceerbaarheid

Voor metrologisch-grade signaalgeneratoren, de geluidsvloer wordt routinematig gekalibreerd tegen een primaire standaard (bijv. een cryogene geluidsbron of een Josephson spanningsnorm). Traceerbaarheid aan nationale normen zorgt ervoor dat metingen met de generator zijn reproduceerbaar. Kalibratie intervallen zijn meestal 12â € .24 maanden, maar gebruikers moeten de geluidsvloer te controleren voordat kritische metingen.

Digitale generators en kwantiseringslawaai

Moderne willekeurige golfvorm generatoren (AWGs) en vector signaal generatoren (VSGs) gebruiken DAC's om de golfvorm te creëren. De eindige resolutie van de DAC introduceert quantisatie lawaai, dat verschijnt als een breedband ruisvloer. De theoretische quantisatie ruis vloer van een N-bit DAC is ongeveer -6,02 N â € 1,76 dBFS (volledige schaal). Bijvoorbeeld, een 14-bit DAC levert ongeveer -86 dBFS. Dit is veel hoger dan de thermische ruis vloer, dus veel generatoren gebruiken ditering en oversampling om het effect ervan te verminderen. In de praktijk, de algehele geluidsvloer is een combinatie van quantement lawaai en analoge ruis, vaak gedomineerd door de analoge sectie bij lage output niveaus.

Conclusie

De geluidsvloer van een signaalgenerator is een fundamentele parameter die direct meetnauwkeurigheid in een breed scala van toepassingen van RF en magnetrontest. Van thermische en schotgeluid tot kwantitatieve effecten en meetsysteembeperkingen, het begrijpen van de wetenschap achter de geluidsvloer maakt het ingenieurs mogelijk om de juiste generator te selecteren, het goed in te stellen en de prestaties ervan correct te interpreteren. Door gebruik te maken van zorgvuldige meettechnieken zoals spectrale analyse, de Y-factor methode, of cross-correlatie, kan men de ware geluidsvloer van een generator karakteriseren en ervoor zorgen dat het niet de beperkende factor in het testsysteem wordt. Met de hier gegeven begeleiding kunnen ingenieurs met vertrouwen de uitdagingen op de geluidsvloer aanpakken in hun dagelijkse werk.

Voor verdere lezing over lawaaimeting technieken, verwijzen naar Keysightâ € TM s toepassing nota over de metingen van de geluidsfiguren en de Rohde & Schwarz gids voor fasegeluid en geluidsvloer metingen.