Exponenta Banner

Измерение усиления и шума изображает спектр

Этот пример использует:

Открыть скрипт

В этом примере показано, как использовать RF Blockset, чтобы измерить Усиление и Шумовую фигуру системы РФ в данной спектральной области значений.

Пример требует DSP System Toolbox™.

Введение

В этом примере описан метод для измерения зависимого частотой усиления и шумовой фигуры системы РФ. Эти спектральные свойства измеряются для двух систем РФ; один Низкий Шумовой Усилитель и тот же усилитель, когда соответствующий. Модель, используемую в измерении, показывают ниже:

model = 'GainNoiseMeasurementExample';
open_system(model);

Модель имеет два модуля измерения, каждый соединенный с различной подсистемой, содержащей DUT. Верхний модуль измерения соединяется с несопоставленным LNA в подсистеме DUT с желтым фоном:

open_system([model '/DUT Unmatched']);

Более низкий модуль измерения соединяется с совпадающим LNA в подсистеме DUT с синим фоном:

open_system([model '/DUT Matched']);

Каждый модуль измерения выводит два векторных сигнала, представляющие спектры Усиления и Шумовую фигуру соответствующего DUT, и те введены в два блока Графика Массивов, которые строят вышеупомянутые свойства по сравнению с частотой, сравнивая несопоставленные и совпадающие системы DUT. В следующих разделах описан соответствующий процесс проектирования сети, результаты симуляции даны и по сравнению с ними ожидаемыми от LNA и соответствия с сетевыми свойствами. Наконец, процедура, используемая в модулях измерения, чтобы получить спектральное Усиление и Шумовые результаты, объяснена.

Проект соответствующей сети

Соответствующая сеть, используемая в совпадающей подсистеме DUT, включает одноступенчатую сеть L-C, которая спроектирована, выполнив ту же процедуру как та, описанная в примере RF Toolbox ''Сети Соответствия Проекта - Часть 1''. Поскольку LNA, используемый здесь, отличается, проект описан ниже

Первоначально, rfckt.amplifier объект создается, чтобы представлять базирующийся низкий шумовой усилитель Биполярного транзистора Гетероперехода, который задан в файле, 'RF_HBT_LNA.S2P'. Затем circle метод rfckt.amplifier объект используется, чтобы поместить постоянное доступное усиление и постоянные шумовые круги фигуры на графике Смита, и выбрать соответствующий исходный коэффициент отражения, GammaS, который обеспечивает подходящий компромисс между усилением и шумом. Значение GammaS выбранные урожаи доступное усиление Ga=21dB и шумовая фигура NF=0.9dB на центральной частоте fc=5.5GHz:

unmatched_amp = read(rfckt.amplifier, 'RF_HBT_LNA.S2P');
fc = 5.5e9; % Center frequency (Hz)
circle(unmatched_amp,fc,'Stab','In','Stab','Out','Ga',15:2:25, ...
    'NF',0.9:0.1:1.5);

% Choose GammaS and show it on smith chart:
hold on
GammaS = 0.411*exp(1j*106.7*pi/180);
plot(GammaS,'k.','MarkerSize',16)
text(real(GammaS)+0.05,imag(GammaS)-0.05,'\Gamma_{S}','FontSize', 12, ...
    'FontUnits','normalized')
hLegend = legend('Location','SouthEast');
hLegend.String = hLegend.String(1:end-1);
hold off

Для выбранного GammaS могут быть получены следующие свойства:

% Normalized source impedance:
Zs = gamma2z(GammaS,1);

% Matching |GammaL| that is equal to the complex conjugate of
% |GammaOut| shown on the data tip:
GammaL = 0.595*exp(1j*135.0*pi/180);

% Normalized load impedance:
Zl = gamma2z(GammaL,1);

Входная сеть соответствия состоит из одного шунтирующего конденсатора, Cin, и одного серийного индуктора, Лин. График Смита используется, чтобы найти значения компонента. Для этого, постоянный круг проводимости, который пересекает центр графика Смита и постоянного круга сопротивления, который пересекает GammaS построены и точки пересечения $\Gamma_A$(Точка) найден:

[~, hsm] = circle(unmatched_amp,fc,'G',1,'R',real(Zs));
hsm.Type = 'YZ';

% Choose GammaA and show points of interest on smith chart:
hold on
plot(GammaS,'k.','MarkerSize',16)
text(real(GammaS)+0.05,imag(GammaS)-0.05,'\Gamma_{S}','FontSize', 12, ...
    'FontUnits','normalized')
plot(0,0,'k.','MarkerSize',16)
GammaA = 0.384*exp(1j*(-112.6)*pi/180);
plot(GammaA,'k.','MarkerSize',16)
text(real(GammaA)+0.05,imag(GammaA)-0.05,'\Gamma_{A}','FontSize', 12, ...
    'FontUnits','normalized')
hLegend = legend('Location','SouthEast');
hLegend.String = hLegend.String(1:end-3);
hold off

Используя выбранный GammaA, получены входные компоненты сети соответствия, Син и Лин:

% Obtain admittance Ya corresponding to GammaA:
Za = gamma2z(GammaA,1);
Ya = 1/Za;

% Using Ya, find Cin and Lin:
Cin = imag(Ya)/50/2/pi/fc
Lin = (imag(Zs) - imag(Za))*50/2/pi/fc

Cin =

   4.8145e-13


Lin =

   1.5218e-09

Подобным образом выходные компоненты сети соответствия получены с помощью точек пересечения $\Gamma_B$(Точка) между постоянным кругом проводимости, который пересекает центр графика Смита и постоянного круга сопротивления, который пересекает GammaL:

[hLine, hsm] = circle(unmatched_amp,fc,'G',1,'R',real(Zl));
hsm.Type = 'YZ';

% Choose GammaB and show points of interest on smith chart:
hold on
plot(GammaL,'k.','MarkerSize',16)
text(real(GammaL)+0.05,imag(GammaL)-0.05,'\Gamma_{L}','FontSize', 12, ...
    'FontUnits','normalized')
plot(0,0,'k.','MarkerSize',16)
GammaB = 0.612*exp(1j*(-127.8)*pi/180);
plot(GammaB,'k.','MarkerSize',16)
text(real(GammaB)+0.05,imag(GammaB)-0.05,'\Gamma_{B}','FontSize', 12, ...
    'FontUnits','normalized')
hLegend = legend('Location','SouthEast');
hLegend.String = hLegend.String(1:end-3);
hold off

Используя выбранный GammaB, получены входные компоненты сети соответствия, Cout и Мужлан:

% Obtain admittance Yb corresponding to GammaB:
Zb = gamma2z(GammaB, 1);
Yb = 1/Zb;

% Using Yb, find Cout and Lout:
Cout = imag(Yb)/50/2/pi/fc

Cout =

   8.9651e-13


Lout = (imag(Zl) - imag(Zb))*50/2/pi/fc

Lout =

   1.2131e-09

Результаты симуляции для усиления и шума изображают модель измерения спектра

Вышеупомянутая сеть ввода и вывода значения компонента используется в симуляции совпадающего DUT в усилении и шумовой модели измерения спектра фигуры, описанной ранее. Спектральные результаты, отображенные в блоках Графика Массивов, приведены ниже:

open_system([model '/Gain Spectrum']);
open_system([model '/Noise Figure Spectrum']);
sim(model, 1e-4);

Затем результаты симуляции по сравнению с ожидаемыми аналитически. Чтобы упростить сравнение, несопоставленные и совпадающие сети усилителя анализируются с помощью RF Toolbox. Кроме того, когда более прекрасные детали требуются, симуляция запущена в течение более длительного времени. Результаты более длительной симуляции даны в файле 'GainNoiseResults.mat'.

% Analyze unmatched amplifier
BW_analysis = 2e9; % Bandwidth of the analysis (Hz)
f_analysis = (-BW_analysis/2:1e6:BW_analysis/2)+fc;
analyze(unmatched_amp, f_analysis);

% Create and analyze an RF network for the matched amplifier
input_match = rfckt.cascade('Ckts', ...
    {rfckt.shuntrlc('C',Cin),rfckt.seriesrlc('L',Lin)});
output_match = rfckt.cascade('Ckts', ...
    {rfckt.seriesrlc('L',Lout),rfckt.shuntrlc('C',Cout)});
matched_amp = rfckt.cascade('ckts', ...
    {input_match,unmatched_amp,output_match});
analyze(matched_amp,f_analysis);

% Load results of a longer simulation
load 'GainNoiseResults.mat' f GainSpectrum NFSpectrum;

% Plot expected and simulated Transducer Gain
StdBlue = [0 0.45 0.74];
StdYellow = [0.93,0.69,0.13];
hLineUM = plot(unmatched_amp, 'Gt', 'dB');
hLineUM.Color = StdYellow;
hold on
plot(f, GainSpectrum(:,1), '.', 'Color', StdYellow);
hLineM = plot(matched_amp, 'Gt', 'dB');
hLineM.Color = StdBlue;
plot(f, GainSpectrum(:,2), '.', 'Color', StdBlue);
legend({'G_t analysis - Unmatched', ...
        'G_t simulation - Unmatched', ...
        'G_t analysis - Matched', ...
        'G_t simulation - Matched'}, 'Location','SouthWest');

% Plot expected and simulated Noise Figure
hFig = figure;
hLineUM = plot(unmatched_amp, 'NF', 'dB');
hLineUM.Color = StdYellow;
legend('Location','NorthWest')
hold on
plot(f, NFSpectrum(:,1), '.', 'Color', StdYellow);
hLineM = plot(matched_amp, 'NF', 'dB');
hLineM.Color = StdBlue;
plot(f, NFSpectrum(:,2), '.', 'Color', StdBlue);
legend({'NF analysis - Unmatched', ...
        'NF simulation - Unmatched', ...
        'NF analysis - Matched', ...
        'NF simulation - Matched'}, 'Location','NorthWest');

Операция модуля измерения

Модуль измерения производит входной сигнал, DUT_in, который состоит из нулевого среднего белого шума и сигнала импульсной характеристики нулевого отклонения. Последний используется, чтобы решить, что частотная характеристика усиления DUT и вместе с белым шумом определяет шумовую фигуру DUT. Модуль измерения собирает выходной сигнал DUT, выполняет оконный БПФ на нем и затем упрощает статистические вычисления, чтобы получить усиление и шумовую фигуру DUT.

open_system([model '/Noise and Gain Measurement'], 'force');

Статистические вычисления сделаны в области, отмеченной синим. Вычисления используют три входных параметров в частотном диапазоне; Введите Шум Только, Входной сигнал Только и Выходной сигнал. Входной сигнал Только по сравнению со средним значением Выходного сигнала, чтобы определить усиление DUT $G$в каждом интервале частоты. Отклонение Выходного сигнала, со средним удаленным сигналом, дает к выходному шуму системы DUT$N_o$, Вместе с входным шумом, питаемым DUT$N_i$, вычисленный путем взятия отклонения Входного Шума Только, Шумовой фигуры$NF$, может быть вычислен с помощью следующей формулы:

$$NF = \frac{SNR_{in}}{SNR_{out}} = \frac{N_o}{N_i G}$$

Где,$SNR_{in}$ и$SNR_{out}$ в вышеупомянутом уравнении Отношения сигнал-шум при вводе и выводе DUT. Наконец, после преобразования в децибелы, спектральные результаты разделены на интервалы и усреднены в них, чтобы упростить более быструю сходимость. Кроме того, чтобы улучшить шумовую сходимость вычисления, выходное отклонение шума сбрасывается, если усиление достигло сходимости.

Свойства, влияющие на операцию модуля измерения, заданы в диалоговом окне параметра маски блока как показано ниже:

Эти параметры описаны ниже:

  • Шаг расчета - Шаг расчета сигнала создается модулем измерения. Шаг расчета также управляет общей пропускной способностью симуляции, полученной модулем измерения.

  • Размер БПФ - Количество интервалов БПФ раньше получало представление частотного диапазона сигналов в модуле измерения.

  • Бета окна Кайзера -$\beta$ параметр окна Кайзера используется во всех вычислениях БПФ в модуле измерения. Увеличение$\beta$ расширяет mainlobe и уменьшает амплитуду боковых лепестков частотной характеристики окна.

  • Отношение покрытия спектра - Значение между 0 и 1, представляя часть общей пропускной способности симуляции обрабатывается модулем измерения.

  • Количество интервалов - Количество выходных интервалов частоты в Усилении и сигналах NF создается модулем измерения. Интервалы БПФ в покрытом спектре перераспределены в те выходные интервалы. Усреднены несколько интервалов БПФ, попадающих в тот же выходной интервал.

  • Отношение среднего сигнала к шуму RMS - отношение средней амплитуды сигнала к шуму RMS в сигнале DUT_in создается модулем измерения. Большое значение улучшает сходимость вычисления усиления DUT, но уменьшает точность шумового вычисления из-за числовых погрешностей.

  • Получите допуск - порог изменения усиления относительно его среднего значения. Когда порог поражен, усиление рассматривается, как сходился, инициировав сброс для выходного вычисления шума.

close(hFig);
bdclose(model);
clear model hLegend hsm hLine hLegend StdBlue StdYellow hLineUM hLineM hFig;
clear GammaS Zs GammaL Zl GammaA Za Ya GammaB Zb Yb;
clear unmatched_amp BW_analysis f_analysis input_match output_match matched_amp;
Документация RF Blockset
Поддержка