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淺析AGC電路噪聲系數的測試

2020-01-02 來源:微波射頻網作者:Knight 我要評論(0) 字號:

對于噪聲系數測試,多數情況下會選擇Y因子方法測試,但是當待測件包含自動增益控制電路(AGC)時,Y因子方法受到一定的限制。因為當噪聲源在打開、關閉兩種狀態時,AGC電路會自動調整可變增益放大器(VGA)的增益,從而保證輸出的電平恒定,此時使用Y因子方法測得的結果已經無法反映待測件真實的噪聲系數。那么如何進行有效的測試呢?這就是本文將要詳細介紹的內容。

眾所周知,AGC電路具有一定的起控范圍,只有輸入電平落入該范圍內,才能夠正常地作自動增益控制。如果噪聲源打開、關閉兩種狀態下,輸入至AGC電路的信號功率在其起控范圍之外,則AGC電路的工作狀態并不發生變化,此時依然可以使用Y因子法測試。

對于接收機通道模塊,往往增益非常高,所以噪聲源的開和關可能使得AGC電路能夠進行自動增益控制,此時可以使用如下兩種方法測試噪聲系數。

 (1) 將AGC電路固定在一個狀態,即無論輸入信號是否變化,待測件的增益是固定的。此時可以使用Y因子法測試,而且可以測試不同增益狀態下的噪聲系數!該方法優勢在于,可以使用自動噪聲系數測試功能,能夠快速測試不同頻率下的噪聲系數。

 (2) 基于增益法測試噪聲系數,適用于不便于控制AGC增益狀態的待測件。為了保證AGC的增益在測試過程中不改變,可以使用外部信號源給待測件提供一個功率恒定的CW信號,同時測試待測件的增益和輸出噪聲功率。為了使得CW信號的相噪不影響測試結果,建議CW信號電平設置小一點,且讀取一定頻偏處(相對于CW信號)的噪聲功率。該方法需要手動操作,有一定的工作量,但不需要噪聲源。

第一種方法比較簡單,依然使用Y因子法測試。下面主要介紹第二種方法的操作步驟和注意事項。為方便起見,除非特殊說明,下文涉及的待測件均指包含AGC電路的待測件。

圖1、增益法測試AGC電路噪聲系數等效框圖

圖1給出了增益法測試噪聲系數的連接框圖,假設輸入端的噪聲功率為Nin缅甸玉和国际,則輸入、輸出噪聲功率滿足如下關系

Nout=Nin?G+kBTe?G

如果輸入噪聲功率為kBT0(T0=290K),則上式可以簡化為

Nout=kBT0?F?G

根據上式,若增益G和輸入噪聲功率Nin已知,便可以計算出待測件的噪聲系數。需要注意,G為待測件與頻譜儀總的增益,且求解出的F為待測件與頻譜儀總的噪聲因子。傳統的增益法由于不會消除頻譜儀自身引入的影響,因此適用于噪聲系數較大且增益較高的待測件。下面介紹的方法,能夠修正頻譜儀自身噪聲系數引入的影響。

由于頻譜儀是經過內部校準的,因此可以認為其增益為1,那么如果要求解待測件本身的噪聲系數,則需要如下三步:① 測試待測件的增益;② 確定輸入噪聲功率Nin;③ 確定頻譜儀本身的噪聲系數。

待測件增益的測試,首選使用矢網,那么對于該測試,是否適合使用矢網?

由于待測件包含AGC電路,使用矢網測試其增益本身沒有什么問題,但是在該測試中,如果要得到正確的測試結果,需要保證使用矢網測試增益時與采用圖1方式測試噪聲系數時的AGC狀態相同,即保證增益狀態不變。

更簡便的方法,直接使用圖1的裝置確定待測件的增益,直接比較是否連接DUT兩種情況下的輸出功率即可確定DUT的增益。

通常所說的增益法測試噪聲系數,在待測件輸入端連接50Ohm匹配負載,可以認為輸入噪聲功率為kBT0(假設室溫為T0)。如果按照圖1所給的裝置測試,還能認為待測件的輸入噪聲功率為kBT0嗎?

不能再認為輸入噪聲功率為kBT0,因為信號源輸出CW信號時,也附帶著一定的噪聲功率,該噪聲功率要大于kBT0,因此可以將信號源等效為如圖2所示的電路,包含一個理想的信號源和一個等效的放大器,等效增益和噪聲因子分別為GS和FS。理想信號源輸出CW信號的同時,也附帶輸出kBT0的噪聲功率,圖中Nin為饋入DUT的噪聲功率。

圖2、信號源等效電路

如何確定信號源輸出的噪聲功率呢?

分別使用頻譜儀的RMS檢波器和AVG檢波器測試CW信號功率,二者之差即為信號源輸出的噪聲功率與頻譜儀本身產生的噪聲功率之和NSG&SA。假設頻譜儀的增益和等效噪聲溫度分別為GSA和TSA,則滿足如下關系:

NSG&SA=Nin?GSA+kBTSA?GSA

可以認為頻譜儀的增益為1 ,而頻譜儀本身的噪聲系數也可以確定,于是可以求出信號源輸出的噪聲功率Nin

如果使用這種方式,建議信號源輸出的CW信號功率不要太強,且使用頻譜儀測試時,建議RBW設大一些,比如5MHz。

除了使用RMS和AVG檢波器的方法外,還可以直接讀取偏離CW信號一定頻偏處的噪聲功率作為NSG&SA。該方法要求CW信號的相噪要非常小,不能影響讀取結果。

以上確定了待測件的輸入噪聲功率,下面按照圖1連接DUT進行測試,待測件輸出噪聲功率的確定也可以按照上述方法。使用頻譜儀不同的檢波器,或者直接讀取偏離CW信號一定頻偏處的噪聲功率。

確定待測件輸入和輸出噪聲功率后,便可以求出待測件與頻譜儀總體的噪聲因子,最后根據噪聲因子級聯公式,求出待測件本身的噪聲因子。

為了便于對上述內容的理解,下面介紹一個測試實例,實例中采用的是頻偏法確定信號源輸出噪聲功率和DUT輸出噪聲功率。DUT是一個接收機通道,包含前端低噪放、鏡頻抑制混頻器、中頻濾波器及AGC電路,通道的相關參數如下:

RF freq.:1345MHz~1380MHz
LO freq.:1385MHz
IF freq.:5MHz~40MHz
通道最大增益達90dB
AGC提供40dB的動態范圍
AGC的起控范圍為-120~-80dBm (按射頻輸入功率)

使用外部信號源給DUT提供一個-100dBm的CW信號,如果要測試DUT在輸出中頻頻率為15MHz對應的噪聲系數,因為采用頻偏法測得噪聲功率,所以需要將CW信號頻率設置為1358MHz,而不是1370 MHz。

首先測試了待測件的增益為86dB;然后確定信號源輸出的噪聲功率,在信號源輸出CW信號的同時,觀察1370MHz處的噪聲功率,如圖3所示,RBW為100kHz時的噪聲功率為-117。2dBm。

為了正常計算,還需要確定頻譜儀等效噪聲溫度TSA:圖3右圖給出打開預放時,在射頻段的噪聲功率譜密度為-167.32dBm/Hz,對應的噪聲系數為6.68dB。根據噪聲因子與等效噪聲溫度的關系,便可以求出對應的噪聲溫度,代入以上公式求得的信號源輸出噪聲功率為0.45 x 10-12 mW。

圖3、確定信號源輸出的噪聲功率(左)和打開預放時頻譜儀自身噪聲功率譜密度(右)

當連接待測件時,測試的15MHz處的噪聲功率NSG&DUT&SA缅甸玉和国际為-29.32dBm,其包含了DUT輸出的總噪聲功率和頻譜儀自身引入的噪聲功率,因此滿足如下關系:

NSG&DUT&SA=Nin?GDUT+kBTDut&SA?GDUT

可進一步化簡為

NSG&DUT&SA=Nin?GDUT+kBT0?(FDUT&SA-1)?GDUT

上面已經求出Nin=0.45 x 10-12mW,且待測件增益為86dB,則代入上式得FDUT&SA=7.25 .

由于待測件的增益很高,為了防止射頻以及中頻過載,此時將頻譜儀的射頻衰減度設置為60dB,那么等效的噪聲系數約為66.68dB,最終計算出的待測件的噪聲因子為FDUT=7.24 (8.6dB)。

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