一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置及方法，属于噪声系数测量技术领域，包括接口单元、控制单元和噪声发生单元，所述接口单元、控制单元和噪声发生单元通过线路依次连接，补偿装置通过I2C总线和噪声系数分析仪通讯。本发明将现有超宽带同轴噪声源的频率下限扩展至10MHz，满足了噪声系数分析仪的低端频率覆盖范围，方便用户使用；超噪比平坦度指标得到显著提升，减小了噪声源超噪比的插值误差；噪声源超噪比范围大幅减小，在对相同被测件测量时可减小噪声系数分析仪的噪声功率测量范围，进而提高了噪声系数的动态精度。
【专利说明】
一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于噪声系数测量技术领域，具体涉及一种噪声源超噪比平坦度的补偿装 置及方法。
【背景技术】
[0002] 噪声系数是量化接收机处理微弱信号能力最为重要的参数之一，高精度的噪声系 数测量对于优化接收机的大小、重量、成本和性能，提高可靠性具有重要意义。噪声系数测 试仪是高灵敏度接收机与固态噪声源的杰出融合，固态噪声源作为标准激励源，工作在开 关两种状态下，提供高稳定度和高精度的噪声激励信号，噪声源超噪比平坦度对噪声系数 的测量精度至关重要。
[0003] 噪声源是一种能产生连续频谱的装置，其核心是噪声二极管，常用固态噪声源的 工作原理是利用P-N结二极管反向偏置工作在雪崩击穿状态，由于雪崩区内电子、孔穴对速 率的随机起伏而产生了雪崩散弹噪声，该雪崩散弹噪声在一定的频段内具有连续的功率谱 密度。其主要优点是工作频带宽，工作稳定，供电方便功耗低，并可工作在快速开关两种状 态下，因此常和噪声系数分析仪一起使用，实现噪声系数的自动测量。其主要缺点是宽频带 工作时输出噪声功率平坦度较差，需要在噪声源的频率覆盖范围内选择多个频率点对超噪 比校准。
[0004] 与本发明最相近噪声源的实现方案如图1所示，主要组成包括电流调整电路、噪声 二极管、隔直电路及输出匹配电路。噪声仪系数分析仪提供+28V脉冲驱动电压，和噪声源之 间通过BNC电缆相连。
[0005] 噪声二极管的输出噪声功率，用超噪比表示近似为：
[0006]
[0007] 式中：ENR-噪声源的超噪比值，单位为dB;
[0008] a-取决于结材料及几何形状的常数；
[0009] Ub一噪声二极管的击穿电压，单位为V;
[0010] I-加在噪声管上的雪崩驱动电流，单位为mA;
[0011] k-玻尔兹曼常数（1.38X 10-23J/K);
[0012] To-标准噪声温度290K;
[0013] Rsc-空间电荷电阻，单位为Ω;
[0014] RSP-串联电阻，单位为Ω ;
[0015] ω、coa-工作角频率、雪崩角频率，单位为rad/S。
[0016] 噪声源在全频带内驱动电流固定，依据噪声源超噪比经验公式，通过合理设计偏 置电路可基本实现固态噪声二极管的雪崩频率和输出噪声功率范围;通过优化输出匹配电 路可以改善噪声源的输出端口匹配特性。
[0017] 现有的使用该技术方案设计出的超宽带噪声源频率范围：1~50GHz，典型的超噪 比范围：7~20dB。
[0018] 与本发明最相近的图1的实现方案，主要缺点是噪声源输出功率平坦度差，图2为 一个现有噪声源输出功率随频率变化的典型曲线图。作为噪声系数测量的标准激励源使用 时，会因超噪比插值误差影响噪声系数测量精度；另外超噪比的最大值和最小值相差15dB 左右，在使用过程中提高了对噪声接收机的动态范围的要求。
[0019] 图2中心和5为噪声源超噪比定标频率点，定标频率点的超噪比数据由厂家给出； f中为非定标频率点，其超噪比数据是通过f#Pf2定标频率点超噪比线性值内插得到。当噪声 源输出功率平坦度差时，噪声源实际输出功率幅度为B，而通过线性内插得到的功率值为A。 当噪声源作为噪声系数测试的标准激励源时，由噪声源超噪比频响引入的噪声系数测量误 差为B-A。在产品研发领域，高精度的噪声系数测试可以保证设计仿真值和真实测量值之间 的可复验性，并有助于发现在仿真过程中未考虑到的噪声来源;在生产领域，更高的测试精 度可以减小被测件噪声系数不确定度的设置范围，增加产品竞争力，因此噪声源超噪比平 坦度补偿非常重要。
【发明内容】
[0020] 针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种噪声源超噪比平坦度的 补偿装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的推广效果。
[0021 ]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0022] -种噪声源超噪比平坦度的补偿装置，包括接口单元、控制单元和噪声发生单元， 所述接口单元、控制单元和噪声发生单元通过线路依次连接;补偿装置通过I 2C总线连接有 噪声系数分析仪；
[0023] 所述接口单元，包括I2C总线接口和电源接口；
[0024] 所述I2C总线接口，被配置为用于为补偿装置提供通讯接口；
[0025] 所述电源接口，被配置为用于为补偿装置提供电源；
[0026] 所述控制单元，包括总线收发器、D/A转换器、压流转换电路和E2PROM,所述总线收 发器、D/A转换器、压流转换电路通过线路依次连接，所述E 2PROM和总线收发器通过线路连 接，所述总线收发器通过线路连接到I2C总线接口；
[0027]所述E2PROM,被配置为用于存储补偿装置的型号、串号以及补偿装置的超噪比校 准数据，该数据为补偿装置中和频率点一一对应的D/A转换器的数据位；
[0028] 所述总线收发器，被配置为用于接收和发送噪声系数分析仪和补偿装置之间的数 据；
[0029] 所述D/A转换器，被配置为用于将噪声系数分析仪加载的数据进行数模转换后输 出电压至压流转换电路；
[0030] 所述压流转换电路，被配置为用于将D/A转换器输出的电压转换成电流加出至噪 声发生单元；
[0031] 所示噪声发生单元，包括噪声二极管、隔直电路和输出匹配电路，所示噪声二极 管、隔直电路和输出匹配电路通过线路依次连接，所述噪声二极管通过线路和压流转换电 路连接；
[0032] 所述噪声二极管，被配置为用于产生宽带噪声信号；
[0033] 所述隔直电路，被配置为用于隔离直流偏置信号；
[0034] 所述输出匹配电路，被配置为用于将噪声信号输出，并改善噪声源的输出匹配特 性。
[0035]基于I2C接口，噪声系数分析仪通过I2C总线经总线收发器，从E2PROM中读取D/A位 数据传输至D/A转换器的输入端口，D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压流转换 电路，压流转换电路将电压量转换成电流量，加载至噪声二极管，这样即可实现不同频率点 加在噪声二极管的驱动电流可调，通过改变噪声源上的电流调整噪声源的超噪比大小，实 现了超噪比平坦度的补偿。
[0036] 优选地，补偿装置还包括电源调整电路，所述电源调整电路与接口单元中的电源 接口通过线路连接。
[0037] 此外，本发明还提供一种噪声源超噪比平坦度的补偿方法，该方法采用如上所述 的一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置，包括如下步骤：
[0038] 步骤1:将补偿装置通过接口单元插入噪声系数分析仪；
[0039] 步骤2:噪声系数分析仪自动识别补偿装置是否插入，识别到补偿装置后，通过I2C 总线读取E2PROM中保存的超噪比平坦度校准数据；
[0040] 步骤3:基于I2C接口，噪声系数分析仪将从E2PROM中读取到的校准数据通过I2C总 线经总线收发器传输到D/A转换器的输入端；
[0041] 步骤4:D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路；
[0042] 步骤5:压流转换电路将经过D/A转换器转换后的电压量转换成电流量加至噪声二 极管；
[0043] 步骤6:根据公式（1)，通过改变噪声源上的驱动电流，调整噪声源的超噪比大小， 实现噪声源超噪比平坦度的补偿；
[0044]
⑴.
[0045] 其中，ENR-噪声源的超噪比值，单位为dB;
[0046] a-取决于结材料及几何形状的常数；
[0047] Ub-噪声二极管的击穿电压，单位为V;
[0048] I-加在噪声管上的雪崩驱动电流，单位为mA;
[0049] k-玻尔兹曼常数（1.38X 10-23J/K);
[0050] To-标准噪声温度290K;
[0051 ] Rsc-空间电荷电阻，单位为Ω ;
[0052] Rsp-串联电阻，单位为Ω ;
[0053] ω、coa-工作角频率、雪崩角频率，单位为rad/S。
[0054] 本发明所带来的有益技术效果：
[0055] 本发明提出了一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置及方法，与现有技术相比，本 发明将现有超宽带同轴噪声源的频率下限扩展至10MHz，满足了噪声系数分析仪的低端频 率覆盖范围，方便用户使用;超噪比平坦度指标得到显著提升，减小了噪声源超噪比的插值 误差;噪声源超噪比范围大幅减小，在对相同被测件测量时可减小噪声系数分析仪的噪声 功率测量范围，进而提高了噪声系数的动态精度。
【附图说明】
[0056] 图1为现有噪声源超噪比平坦度补偿装置的硬件原理图。
[0057] 图2为现有噪声源的输出功率随频率变化的曲线图。
[0058]图3为本发明一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置的硬件原理图。
[0059] 图4为本发明一种噪声源超噪比平坦度的补偿方法的流程框图。
[0060] 图5为使用本发明方法输出的噪声源超噪比典型曲线图。
【具体实施方式】
[0061] 下面结合附图以及【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明：
[0062] 实施例1:
[0063] 如图3所示的一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置，包括接口单元、控制单元和噪 声发生单元，所述接口单元、控制单元和噪声发生单元通过线路依次连接;补偿装置通过 I2C总线和噪声系数分析仪通讯。
[0064] 所述接口单元，包括I2C总线接口和电源接口；
[0065] 所述I2C总线接口，被配置为用于为补偿装置提供通讯接口；
[0066] 所述电源接口，被配置为用于为补偿装置提供电源；
[0067] 所述控制单元，包括总线收发器、D/A转换器、压流转换电路和E2PROM,所述总线收 发器、D/A转换器、压流转换电路通过线路依次连接，所述E 2PROM和总线收发器通过线路连 接，所述总线收发器通过线路连接到I2C总线接口；
[0068]所述E2PROM,被配置为用于存储补偿装置的超噪比平坦度校准数据，该数据为补 偿装置中和频率点一一对应的D/A转换器的数据位；
[0069] 所述总线收发器，被配置为用于接收和发送噪声系数分析仪和补偿装置之间的数 据；
[0070] 所述D/A转换器，被配置为用于将噪声系数分析仪加载的数据进行数模转换后输 出电压至压流转换电路；
[0071] 所述压流转换电路，被配置为用于将D/A转换器输出的电压转换成电流加至噪声 发生单元；
[0072] 所示噪声发生单元，包括噪声二极管、隔直电路和输出匹配电路，所示噪声二极 管、隔直电路和输出匹配电路通过线路依次连接，所述噪声二极管通过线路和压流转换电 路连接；
[0073] 所述噪声二极管，被配置为用于产生宽带噪声信号；
[0074] 所述隔直电路，被配置为用于隔离直流偏置信号；
[0075] 所述输出匹配电路，被配置为用于将噪声信号输出，改善噪声源的输出匹配特性； [0076]基于I2C接口，噪声系数分析仪通过I 2C总线经总线收发器，从E2PROM中读取D/A数 据位并传输至D/A转换器的输入端口，D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压流转 换电路，压流转换电路将经过D/A转换器转换后的电压量转换成电流量，加载至噪声二极 管，这样即可实现不同频率点加在噪声二极管的驱动电流可调，通过改变噪声源上的驱动 电流调整噪声源的超噪比大小，进而实现超噪比平坦度的补偿。
[0077]补偿装置还包括电源调整电路，所述电源调整电路与接口单元中电源接口通过线 路连接。
[0078] 实施例2:
[0079] 在上述实施例的基础上，本发明提供一种噪声源超噪比平坦度的补偿方法(如图4 所示），用于实现噪声源超噪比平坦度的补偿，包括如下步骤：
[0080] 步骤1:将补偿装置通过接口单元插入噪声系数分析仪；
[0081] 步骤2:噪声系数分析仪自动识别补偿装置是否插入，识别到补偿装置后，通过I2C 总线读取E2PROM中保存的超噪比平坦度校准数据；
[0082]步骤3:基于I2C接口，噪声系数分析仪将从E2PROM中读取到的校准数据通过I 2C总 线经总线收发器控制D/A转换器的输出；
[0083] 步骤4:D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路；
[0084] 步骤5:压流转换电路将经过D/A转换器输出的电压量转换成电流量加至噪声二极 管；
[0085] 步骤6:根据公式（1)，通过改变噪声源上的驱动电流，调整噪声源的超噪比大小， 实现噪声源超噪比平坦度的补偿；
[0086]
(1)
[0087] 其中，ENR-噪声源的超噪比值，单位为dB;
[0088] a-取决于结材料及几何形状的常数；
[0089] Ub一噪声二极管的击穿电压，单位为V;
[0090] I-加在噪声管上的雪崩驱动电流，单位为mA;
[0091] k-玻尔兹曼常数（1.38X 10-23J/K);
[0092] To-标准噪声温度290K;
[0093] Rsc-空间电荷电阻，单位为Ω ;
[0094] RSP-串联电阻，单位为Ω ;
[0095] ω、coa-工作角频率、雪崩角频率，单位为rad/S。
[0096] 本发明一种超宽带噪声源超噪比平坦度的补偿装置的频率范围：10MHz~50GHz， 超噪比范围：12~17dB，超噪比的典型曲线如图5所示。相比现有产品频段由IGHz向下扩展 到10MHz，满足了噪声系数分析仪的低端频率覆盖范围，方便用户使用，超噪比平坦度指标 有显著提升。
[0097] 本发明满足了噪声系数分析仪的低端频率覆盖范围，方便用户使用；超噪比平坦 度指标得到显著地提升，减小了噪声源超噪比的插值误差;减小了噪声源超噪比的范围，进 而减小了对噪声接收机的动态范围的要求，提高了噪声系数的动态精度。
[0098] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领 域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的 保护范围。
【主权项】
1. 一种噪声源超噪比平坦度的补偿装置，其特征在于:包括接口单元、控制单元和噪声 发生单元，所述接口单元、控制单元和噪声发生单元通过线路依次连接;补偿装置通过I 2C 总线连接有噪声系数分析仪； 所述接口单元，包括I2c总线接口和电源接口； 所述I2c总线接口，被配置为用于为补偿装置提供通讯接口； 所述电源接口，被配置为用于为补偿装置提供电源； 所述控制单元，包括总线收发器、D/A转换器、压流转换电路和E2PROM，所述总线收发器、 D/A转换器、压流转换电路通过线路依次连接，所述E2PROM和总线收发器通过线路连接，所 述总线收发器通过线路连接到I 2C总线接口； 所述E2PROM，被配置为用于存储补偿装置的超噪比平坦度校准数据； 所述总线收发器，被配置为用于接收和发送噪声系数分析仪和补偿装置之间的数据； 所述D/A转换器，被配置为用于将噪声系数分析仪加载的数据进行数模转换后输出电 压至压流转换电路； 所述压流转换电路，被配置为用于将D/A转换器转换后的电压转换成电流输出至噪声 发生单元； 所示噪声发生单元，包括噪声二极管、隔直电路和输出匹配电路，所示噪声二极管、隔 直电路和输出匹配电路通过线路依次连接，所述噪声二极管通过线路和压流转换电路连 接； 所述噪声二极管，被配置为用于产生宽带噪声信号； 所述隔直电路，被配置为用于隔离直流偏置信号； 所述输出匹配电路，被配置为用于将噪声信号输出； 基于I2c接口，噪声系数分析仪通过I2C总线经总线收发器，将从补偿装置E2PROM中读取 D/A数据位传输至D/A转换器的输入端口，D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压 流转换电路，压流转换电路将电压量转换成电流量，加载至噪声二极管，这样不同频率点加 在噪声二极管的驱动电流可调，通过改变噪声源上的驱动电流调整噪声源的超噪比大小， 实现了超噪比平坦度的补偿。2. 根据权利要求1所述的噪声源超噪比平坦度的补偿装置，其特征在于:补偿装置还包 括电源调整电路，所述电源调整电路与接口单元中的电源接口通过线路连接。3. -种噪声源超噪比平坦度的补偿方法，其特征在于:采用如权利要求1所述的一种噪 声源超噪比平坦度的补偿装置，包括如下步骤： 步骤1:将补偿装置通过接口单元插入噪声系数分析仪； 步骤2:噪声系数分析仪自动识别补偿装置是否插入，识别到补偿装置后，通过I2C总线 读取E2PROM中保存的超噪比平坦度校准数据； 步骤3:基于I2C接口，噪声系数分析仪将从E2PROM中读取到的校准数据通过12C总线经 总线收发器加载至D/A转换器的输入端； 步骤4: D/A转换器将数据进行数模转换后输出电压至压流转换电路； 步骤5:压流转换电路将电压量转换成电流量加至噪声二极管； 步骤6:根据公式（1)，通过改变噪声源上的驱动电流，调整噪声源的超噪比大小，实现 噪声源超噪比平坦度的补偿； (1) 其中，ENR-噪戸源的超噪比值，单位为dB; a-取决于结材料及几何形状的常数； Ub一噪声二极管的击穿电压，单位为V; I 一加在噪声管上的雪崩驱动电流，单位为mA; k一玻尔兹曼常数（1.38 X 1(T23J/K); To-标准噪声温度290K; Rsc-空间电荷电阻，单位为Ω ; Rsp-串联电阻，单位为Ω ; ω、coa-工作角频率、雪崩角频率，单位为rad/s。
【文档编号】H04B1/04GK106067844SQ201610352494
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月24日 公开号201610352494.9, CN 106067844 A, CN 106067844A, CN 201610352494, CN-A-106067844, CN106067844 A, CN106067844A, CN201610352494, CN201610352494.9
【发明人】宋青娥, 许建华, 梁胜利, 郑利颖, 李文军, 魏连成
【申请人】中国电子科技集团公司第四十一研究所