Добрый день, хочу немного затронуть вопрос из области фундаментально-прикладной науки.
Не так давно пришлось столкнуться с измерением амплитудных шумов (AM noise) и фазовых шумов (Phase noise) выходного сигнала, а так же вносимых фазовых шумов (additive/redusal phase noise) усилителей.
Информации по вопросу измерения фазовых и вносимых фазовых шумов довольно много, как на нашем, так и на английском языках, так же как и измерительных приборов на рынке. Однако информации по измерению амплитудных, а тем более вносимых амплитудных (существует ли такое понятие вообще ?) крайне мало, а вопросы мои касаются именно их.
Вопросы у меня следующие:
1) От чего зависят амплитудные шумы сигнала, как они поражаются и какие способы борьбы с ними ?
2) Справедливо ли понятие вносимых амплитудных шумов с научной точки зрения и как их измерить ? На сколько я понял ни один из существующих измерительных приборов на рынке (даже самых дорогих) не предполагает такого измерения.
3) Есть ли разница между фазовыми и частотными шумами ?
Заранее большое спасибо, т.к. почему то сложилось такое ощущение, что наука измерения шумов передающих систем это что-то тайное и только для посвященных

Собственные шумы приборов и амплитудные и фазовые одновременно, тут разделить нет возможности.
Чисто амплитудный шум (он же - паразитная АМ) порождается шумами в цепях, определяющих коэффициент усиления (шумы питания выходного каскада передатчика, шумы цепей АРУ и т.п.). В этом случае борьба понятна: уменьшать шумы в цепях, задающих усиление.
Принцип измерения чисто амплитудных шумов тогда тоже понятен: подаем на усилитель рабочий сигнал без АМ, подключаем к выходу амплитудный детектор и далее - спектроанализатор/шумомер.
Особой разницы между амплитудными и фазовыми шумами я не вижу, т.к. частота - производная от фазы. Соответственно спектр шума, понимаемого как частотный, будет приподнят в ВЧ части относительно того же шума, понимаемого как фазовый.

Спасибо за ответ, согласен в какой-то степени, однако формирователи входного сигнала для этого измерения в любом случае будут иметь какую-то паразитную АМ ( т.к. тоже имеют питание и выходные цепи), пускай даже с плотностью мощности много меньше минус 100дБ/Гц относительно мощности несущей. Хотелось бы определить именно вносимую усилителем составляющую АМ в выходной сигнал. Особняком стоит случай когда в качестве исследуемого усилителя используется усилитель-ограничитель с большой компрессией, тогда потенциально можно получить сигнал на выходе имеющий амплитудные шумы меньше чем на входе, думаю в этом и кроется суть неоднозначности измерения "вносимых" амплитудных шумов.
Поясню, что речь идет о измерении величин с плотностью мощности порядка минус 110-140 дБ/Гц относительно мощности несущей.

.чушь на болльную голову, думал об одном, писал о другом.

Если имеется какая то регулируемая линия задержки, то по "рабоче-крестьянски" можно попробовать оценить уровень шумов исследуемого блока или участка цепи вычитанием входного сигнала пропущенного через задержку из выходного, подстраивая усиление и задержку на минимум разностного сигнала. Этот разностный сигнал и будет шумом.

Есть измерительный комплекс E5505A:


R&S также может предложить измерение вносимых шумов (FSWP):



И смотря какие отстройки нужны, есть много приборов, измеряющих коэффициент шума - тот же шумомер, но измеряющий суммарный вносимый AM+PM noise.

В принципе я косвенно уже упомянул эти приборы, в качестве измерения параметров 2-ух портовых устройств в них подразумевается измерение только вносимых фазовых шумов.



Об этом я тоже уже думал, и возможно в каких-то случаях его вполне можно использовать, но что будет результатом такого измерения если вернуться к случаю когда в качестве тестируемого прибора используется усилитель-ограничитель ? Это на мой взгляд, довольно схоже с измерением вносимых(разностных) фазовых шумов, только там из-за принципиальной невозможности уменьшения этого типа флуктуаций итогом вычитания одного из другого всегда будут именно вносимые усилителем составляющие.
И да, если все так легко, то почему американцы и немцы, которые на этом собаку съели, не додумались до такого простого решения и не впихнули его в свои измерительные коробки стоимостью в десятки миллионов рублей ?

.

Я слышал, что Аджилент в каком то из своих приборов для измерения фазовых шумов использовал этот метод, но большей конкретикой не владею.

Измерения ФШ и АШ с линией задержки были популярны в 70-е 80-е годы. В качестве линии задержки обычно бухта кабеля. Приборы на этом методе были вытеснены много более компактными и универсальными типа Agilent E5052B о которых написали ранее.
Если у вас нет средств "десятки миллионов", то на заданных частотах и полосах можно измерять ФШ и АШ по методике
http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?5...ll=1#post799093

Может кто-нибудь может подсказать какой-то заграничный форум где будет уместен вопрос по поводу теории измерения амплитудных шумов? К сожалению, даже работники местных представительств производителей измерительной техники не могут сказать ничего внятного, да они в принципе и не обязаны.

В FSWP схема измерения добавочных шумов с опцией B64 выглядит так
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Похоже на то, что измеряют амплитуду/фазу внешнего генератора и вычитают (или перемножают для ФШ) из выходного сигнала усилителя, в цифре с учетом задержки. Но надо спросить о более подробной схеме у производителя, нигде не нашел описания входов LO Aux и как они коммутируются внутри. Полагаю делают измерения с преселектором для основной гармоники.

А у меня вообще есть сомнения, что ничтожно-мизерные вносимые АШ можно измерить.

Можно. Меряют, как описано в постах выше - с помощью линии задержки. Хотя, точность измерений не лучше 25%.


Они ни в зуб ногой. Их тренировали впаривать за деньги. Теории никто из них не знает и внятно объяснить, как работает прибор, не может.

Можно увидеть фазовые и амплитудные шумы усилителя. На рисунке записаны АШ и ФШ с выхода усилителя на ОУ AD8099. Входное сопротивление 50 Ом, выход нагружен на смеситель со входным 50 Ом.
Усиление 14 дБ, на входе сигнал кварцевого генератора 13 МГц. Был случай когда АШ превысили ФШ на 5-7 дБ, итсточником повышенного АШ оказался подстроечный резистор в цепи обратной связи.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Вообще то на векторной диаграмме фазовых модуляций хорошо видно разделение амплитудный и фазовых шумов. Фазовые- это " по кругу" а амплитудные- "по радиусу" Достаточно построить гистограммы сечений точки созвездия в двух плоскостях.

За вычетом входных?

Нет. Это измерение АШ и ФШ по очереди на выходе ОУ. Форма сигнала меандр. Ранее было высказано суждение

"разделить" и измерить АШ и ФШ есть возможность.

А что, звуковая карта не вносит АШ? Или VNA не вносит? Спектроаеализатор не вносит АШ - вот уж не поверю!
Речь идёт об очень низких АШ, если я внимательно читал. Потому и сомневаюсь в возможности таких измерений.

Всё вносит шумы, даже резистор.

Низкие АШ, это сколько? Автор темы написал:

Уровни АШ -110 -140 дБ/Гц от уровня несущей можно измерять по предлагаемой методике. Собственные шумы -160 дБн/Гц. На рисунках АШ генератора на небуферизованной логике и генератора по схеме емкостной трёхточки на биполярном транзисторе в сравнении. АШ и ФШ генератора на биполярном транзисторе. Можно "осознанно" настраивать генераторы (другие устройства) контролируя уровни АШ и ФШ. Уровень АШ о котором написал автор темы можно измерять, что представлено на спектрах. Форма сигнала синус.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Немного про измерение аш и фш в описалове на серийный минский измеритель ИФ-1603СА. http://dropmefiles.com/e6kEI - полежит 14 дней. Где-то лежит еще живое описалово на ИФ-1103СА (не сканил), но отличается упрощением. И чоб их отдельно не мерять, когда они ортогональны?

Прошу уточнить, о чем речь.

http://www.wenzel.com/documents/noise.html

Всё пока что не то!
А что именно, спрОсите вы? Да то, что при измерении ФШ есть эталон, при измерении АШ я его не увидел.
Ну тупой я, не верю нАслово! "Мамойклянусь" не пронимает

Я пОнял, что идёт упор на косвенные измерения, но не вижу никаких существенных оснований для них.

Где эталон фазового шума?

По фазовому шуму слышал, для калибровки используют генераторы с частотной модуляцией, на вход которых подают псевдослучайный сигнал с равномерным распределением. Спектральная плотность фазового шума в этом случае имеет наклон 20 дБ/дек и нормированное значение при смещении от несущей, а шириной полосы модуляции добиваются сдвига этого наклона, как правило с шагом 10 дБ по вертикальной оси.

Хранится по соседству с эталоном полуширины спектральной линии.
А если серьезно- то R&S для FSWP сделал неплохую аппноту "Measurement Uncertainty Analysis
and Traceability for Phase Noise" https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downlo...ty_analysis.pdf

конечно вносит. и это есть шум измерительного прибора. и в поверенном приборе он записан в паспорте, а на жопе выставлена дата поверки, иногда даже с химическим индикатором, чтобы хитрые инженеры не баловали. это для того чтобы все могли внести поправку на собственный шум прибора. ну напирмер, подставляется как фактор R в фильре Калмана. Как было сказано, иногда АШ может превышать фазовый. Т.к. АШ это преимущественно тепловой шум в резистивных цепях. А фазовый - преимущественно дробовый шум в усилителях, и ему свойственно наличие АЧХ. В синтехаторах Агилента, это довольно ровный спад от частоты с одной, или двумя ступеньками, иногда с небольшим заборчиком, или пилой. В ламповых приборах в этом месте может быть вообще провал на несколько децибелл, зато чуть подальше от частоты будет ровненький почти гауссовский горб ФШ. Ну вот там, ближе к частоте генератора, где этот горб спадает, как я понимаю, как раз АШ видимо преобладает. Но замерять мне его не удалось т.к. ничего калиброванного по АШ не имели в лабе. Зато на конфах я видел, как АШ меряли при помощи калиброванных источников шума на спектроанализаторах с сответствующими опц.программами.


спасибо. основательная апнота. в следующий раз когда ко мне с этим пристанут, буду знать куда отсправить %)

По-большому счету, в случае измерилки vhk, калибровка не нужна. Вся его система, смеситель + АЦП, обладает ультра высокой линейностью, и измерения делаются без переключения диапазонов по амплитуде и частоте. Достаточно одной точки отсчета - уровеня несущей, все остальные уровни гарантированны линейностью. Оцифровку данных vhk делает на промежуточной частоте, значит есть полноценное деление на квадратуры и точное знание амплитуды и фазы. Практически идеальный вариант при наличии хорошего опорного источника со смещением по частоте около 20 кГц. В E5052 калибровка обязательно нужна: полоса частот отстроек делится на диапазоны со своей нормировкой - эта надо обязательно проверять, чтобы сшивка не разошлась. Очень кстати часто в E5052 на стыке границ видна ступенька. И высокая чувствительность куда важнее кросскорреляций, за время которых частота может уйти.

Если серьёзно, то в РФ нет Гос. эталона ФШ и АШ. В методике поверки от R&S для FSWP ссылки на "
metrology institute NIST (USA)".
khach
Может у вас есть ссылка на методику поверки АШ?

Ну там же в конце родешварцевской аппонты есть прямой линк в списке литературы. Старый, ламповый как г мамонта Tn190.pdf http://tf.nist.gov/general/tn1337/Tn190.pdf
А в аппноте в районе 30 траницы как раз показано влияние АМ шумов на векторной диаграмме.
Скажем так, в реальных устройствах правильно спроектированных AM обычно можно пренебречь. Они вылазят при косяках типа самовобуждение цепей автоматической регулировки амплитуды, наводок по питанию и подобных проблем. И обычно в таком виде, что прекрасно видны на осциллографе в режиме векторного анализатора сигнала или на гистограммах глазковой диаграммы. Т.е динамика сравнима с динамикой осциллографа в 40-50 дб.
С другой сторны именно метрологическим обеспечением измерений АШ заниматься не приходилось, так что с удовольствием послушаю более умных коллег.


а можно фотосессию СВЧ части этого анализатора сделать? Ищу методу измерения ФШ на частотах выше 100 ГГц. К сожалению в R&S FSWP отказались от опции B21 ( frequency extender) реализовали ее только в FSW
Можно по мотивам ИФ-1603СА собрать анализатор на субмиллметровые волны?

Такой вопрос относительно фазовых шумов, которые вносит усилитель. Т.е. есть VCO, сигнал с него усиливаем и смотрим на анализаторе с функцией измерения ФШ/подаем на смеситель/еще куда-то.
Озаботившись вопросом, нашел статью, в которой буржуи пишут, что усилитель, который сидит в насыщении вносит ФШ. Так вот вопрос, это действительно так? Кто-то проверял? Если это так, то о каких уровнях шумов идет речь (-150, -130, -90)?

Зависит от конструкции усилителя. В общем виде измерять надо. Обычно двухканальным кросскоррелятором, включая измеряемое устройство в одно из плеч.
http://www.analog.com/en/analog-dialogue/a...easurement.html
https://www.microsemi.com/document-portal/d...low-phase-noise
Вот только большинство ФШ-метров такого режима измерений не имеют, разве что holzworth со своими HA7062C Real Time Phase Noise Analyzer

А если мы берем сигнал с генератора, смотрим ФШ на отстройках (например, 1k, 10k, 100k), далее подпаиваем усилитель и вновь смотрим шумы на выходе усилителя, посмотрели, увеличили сигнал с генератора, посмотрели, увеличили и так, пока не загнали усилок в компрессию?

Я с Радиоизмерителя, где в огромном количестве стояли эти чудеса из-за ошибки метролога по серийности изделия, шумы которого планировалось мерять, уволился в 1994г, но свои экземпляры описалова забрал. Так что вряд ли. Хотя, в апреле намечается годовщина предприятия, и если попаду - поговорю с метрологами. Приборы еще остались. 1603 ЕМНИП был верхним в линейке. Все остальные - ниже по частоте. Калибровка занимала часа 2 - песня со всеми ожиданиями прогревов. Частота сигнала, который надо было обмерять, успевала уйти эпически.

Не всегда. С полевыми транзисторами этот эффект не наблюдается, у биполярных есть так называемый "эффект памяти" (рассасывания носителей), который может приводить к увеличению ФШ. Если усилитель спроектирован грамотно, то транзисторы практически не входят в насыщение, даже когда усилитель в ограничении. Рост ФШ при ограничении не может быть катастрофическим (скажем не более 10 дБ). Чаще наблюдаю рост ФШ в усилителях класса C, где и отсечка есть и ограничение с насыщением.

Есть же гармонические смесители до 110 ГГц у Агилента



А они все вносят. Иначе не было бы плясок с резонаторами ради снижения шумов. На отстройке 1 Гц от несущей биполярные усилки вносят минус 140-120 дБн/Гц и потом это дело спадает по мощности обратно пропорционально отстройке (фликкер) в тепловые шумы усилка за вычетом 3 дБ. Насыщение усугубляет картину с фликкером. Как и переход на полевые усилители.

Интересно, как регистрировали уровни АШ и ФШ -140 дБн/Гц при отсройке 1 Гц.

Rodolphe Boudot and Enrico Rubiola "Phase Noise in RF and Microwave Amplifiers"

На рисунке отстройка 10 Гц а не 1 Гц.
http://rubiola.org/pdf-articles/conference...ifier-noise.pdf

Рисунок 6а

У родешварца серия смесителей R&S®FS-Z60/-Z75/-Z90/-Z110 Harmonic Mixers идет с калибровкой, но софт поддерживает и смесители сторониих производителей. Можно выбрать в меню анализатора двух или трехпортовый тип смесителя ( со встроенным диплексором ПЧ или без), уровень сигнала гетеродина, смещение диодов смесителя по постоянном току и даже записать свою таблицу по амлитудной калибровке. Но проблема в том что все эти вкусности есть только у FSW, а у FSWP их нет- нет опции внешних входов ПЧ и выхода сигнала гетеродина для гармониковых смесителей. Притом что у прототипа FSWP предпродажного они были, почему их убрали- тайна великая есть. В свое время имел надежду на двойной комплект внешних смесителей чтобы можно было организовать кросс-корреляцию в с переносом частоты, но надежды не оправдались. Прийдется городить свой измеритель ФШ для субсмиллиметров.

Рисунок 6а, это -120 дБн/Гц а не -140 дБн/Гц
http://rubiola.org/pdf-articles/journal/20...-amplifiers.pdf
P. S.
На 10 МГц -140 дБн/Гц может быть, но не на 3,5 - 10 ГГц.

Это понятно, что от частоты зависит. Вот только в теме ничего про частотный диапазон не сказано.
khach, ну возьмите E5052A/B открутите перемычки и используйте внешние гармонические смесители. Гетеродины можете подать от любых генераторов. Главное, чтобы ПЧ сильно не отличались.

Не все так просто - нужен 5053 ящик, без него работать не будет. И два гармониковых смесителя. Вот только у смесителей такие потери преобразования, что от чувствительности почти ничего не остается, я уж не говорю про частоты выше 110ГГц.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

А что мешает взять два смесителя, два настольных генератора, два УПЧ и делитель мощности? Тут и 5053 не нужен. Возни на пару часов.

В принципе это и предполагается. Только еще надо обеспечить стабилизацию уровней гетеродинов для накачки гармониковых смесителей- они очень чувствительны к уровню сигнала и без такой цепи вся метрология пойдет коту под хвост. Ну и основная проблема- собственно метрология и как обеспечить ее стабильность и повторяемость. Надо придумывать процедуру калибровки, чтобы отсчет был в честных дБн, а не в попугаях.

Там попугаи автоматически пересчитываются. Прибор самокалибруется перед каждым измерением. Там же надо связать спектр на входе АЦП со спектром на входе ФД. Все делается через предварительную обработку ПЧ на выходе ФД для вычисления крутизны ФД (она только и нужна) с учетом усиления ПЧ. Всякие преобразования частоты и уровень сигнала после гармонических смесителей нивелируются.

Разве это относится к случаю применения внешних смесителей? Смесители на гармониках не передают постоянной составаляющей ПЧ, поэтому калибровка по уровню нулевых биений в этом случае невозможна. Также нет тракта инжекции тестового сигнала, тестовый сигнал с отстройкой по частоте приходится подавать отдельно через калиброванный направленный ответвитель. На блок-схеме эта часть измерительного тракта не показана. Представители Keysight тоже ничего внятного сказать не смоги- отсылали к чтению аппнот.

Ну это понятно, тут даже матерые метрологи не особо разбираются в тонкостях таких измерителей. На самом деле, тестовый сигнал нигде никуда не подается, а все калибруется по ПЧ перед захватом цифровой ФАПЧ прибора внешнего сигнала. Сегодня мерили шумы на 20 ГГц экспериментального PLG20 (будет на Метрологии - приходите пощупать) с помощью двух Р2М-18 на 19,5 ГГц, смесителей и резистивного делителя мощности. Все сошлось. Правда, с настройками пришлось поиграться и прибор ругался на отсутствие мощности. Но цеплялся за ПЧ 500 МГц и показывал ее шумы. Верификацию делали фазовой модуляцией с заданным индексом.