Exponenta Banner
exponenta event banner

Измерение коэффициента усиления и спектра шумовых фигур

В этом примере используются:

Открыть сценарий

В этом примере показано, как использовать RF Blockset для измерения коэффициента усиления и шума радиочастотной системы в заданном спектральном диапазоне.

В данном примере требуется Toolbox™ системы DSP.

Введение

В этом примере описан способ измерения частотно-зависимого значения коэффициента усиления и шума РЧ-системы. Эти спектральные свойства измеряются для двух радиочастотных систем; Один малошумящий усилитель и один усилитель при согласовании. Модель, используемая для измерения, показана ниже:

model = 'GainNoiseMeasurementExample';
open_system(model);

Модель имеет два измерительных блока, каждый из которых подключен к другой подсистеме, содержащей DUT. Верхний измерительный блок подключен к несопоставленной LNA в подсистеме DUT с желтым фоном:

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

Нижний измерительный блок подключен к согласованному LNA в подсистеме DUT с синим фоном:

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

Каждый измерительный блок выводит два векторных сигнала, представляющих спектры изображения усиления и шума соответствующего DUT, и они вводятся в два блока графика массива (DSP System Toolbox), которые строят график вышеупомянутых свойств в зависимости от частоты, сравнивая несопоставленные и согласованные системы DUT. В следующих разделах описан процесс проектирования соответствующей сети, приведены результаты моделирования и их сравнение с ожидаемыми от LNA и соответствующими свойствами сети. Наконец, поясняется процедура, используемая в измерительных блоках для получения спектральных результатов усиления и шума.

Проектирование соответствующей сети

Согласующая сеть, используемая в согласованной подсистеме DUT, содержит однокаскадную сеть L-C, которая спроектирована в соответствии с той же процедурой, что описана в примере RF Toolbox «Проектирование согласующих сетей для малошумящих усилителей». Поскольку используемый здесь LNA отличается, конструкция описана ниже.

Первоначально, rfckt.amplifier объект создается для представления низкошумового усилителя на основе гетеродинного биполярного транзистора, указанного в файле RF _ HBT _ LNA.S2P. Затем, circle способ rfckt.amplifier объект используется для размещения на диаграмме Смита постоянного доступного усиления и окружностей фигуры постоянного шума и выбора соответствующего коэффициента отражения источника, GammaS, который обеспечивает подходящий компромисс между усилением и шумом. Выбранное значение GammaS дает доступный коэффициент усиления Ga = 21 дБ и показатель шума NF = 0,9 дБ на центральной частоте fc = 5,5 ГГц:

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 согласующая сеть состоит из одного шунтирующего конденсатора, Cin, и одного последовательного индуктора, Lin. диаграмма Смита используется для поиска значений компонентов. Для этого - круг постоянной проводимости, пересекающий центр диаграммы Смита, и круг постоянного сопротивления, пересекающий GammaS выводят на печать и $\Gamma_A$находят точки пересечения (Точка):

[~, 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, получают входные совпадающие сетевые компоненты Cin и Lin:

% 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

Аналогичным образом выходные согласующие сетевые компоненты получают с использованием точек пересечения (Point) $\Gamma_B$между кругом постоянной проводимости, который пересекает центр диаграммы Смита, и кругом постоянного 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, получают входные совпадающие сетевые компоненты Cout и Lout:

% 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 моделирования для модели измерения коэффициента усиления и шумового спектра

Указанные значения входной и выходной составляющих сети используются при моделировании согласованной DUT в описанной выше модели измерения коэффициента усиления и шумового спектра. Ниже приведены спектральные результаты, отображаемые в блоках графика массива:

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

Затем результаты моделирования сравниваются с ожидаемыми аналитическими результатами. Для облегчения сравнения несопоставленные и согласованные сети усилителей анализируются с помощью RF Toolbox. Кроме того, поскольку требуются более точные данные, моделирование выполняется в течение более длительного времени. Результаты более длительного моделирования приведены в файле 'GainNoureResults.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');

Работа измерительного устройства

Измерительный блок формирует входной сигнал, DUT_in, который состоит из нулевого среднего белого шума и сигнала импульсной характеристики с нулевой дисперсией. Последний используется для определения частотной характеристики усиления DUT и вместе с белым шумом определяет показатель шума DUT. Измерительный блок собирает выходной сигнал DUT, выполняет на нем оконный БПФ и затем облегчает статистические вычисления для получения коэффициента усиления и значения шума DUT.

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

Статистические расчеты выполняются в области, отмеченной синим цветом. В вычислениях используются три входа в частотной области; Только входной шум, только входной сигнал и выходной сигнал. Только входной сигнал сравнивается со средним выходным сигналом для определения коэффициента усиления DUT $G$на каждом частотном блоке. Дисперсия выходного сигнала с удаленным средним сигналом дает выходной шум системы DUT, $N_o$Вместе с входным шумом, подаваемым в DUT, $N_i$вычисленный путем взятия дисперсии только входного шума, изображения шума, $NF$может быть вычислен по следующей формуле:

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

Где$SNR_{in}$ и$SNR_{out}$ в вышеприведенном уравнении - отношения сигнал-шум на входе и выходе DUT. Наконец, после преобразования в децибелы спектральные результаты делятся на ячейки и усредняются в них для облегчения более быстрой сходимости. Кроме того, для улучшения сходимости вычисления шума выходная дисперсия шума сбрасывается, как только коэффициент усиления достигает сходимости.

Свойства, влияющие на работу единицы измерения, задаются в диалоговом окне параметров маски блока, как показано ниже:

Эти параметры описаны ниже:

  • Время выборки - время выборки сигнала, создаваемого измерительным блоком. Время выборки также определяет общую полосу пропускания моделирования, захваченную измерительным блоком.

  • Размер БПФ - количество бинов БПФ, используемых для получения представления сигналов в частотной области в блоке измерения.

  • Бета-версия окна Кайзера -$\beta$ параметр окна Кайзера, используемый во всех расчетах БПФ в единице измерения. Увеличение$\beta$ расширяет основной блок и уменьшает амплитуду боковых лепестков частотной характеристики окна.

  • Коэффициент покрытия спектра - значение от 0 до 1, представляющее часть общей полосы пропускания моделирования, обработанной измерительным блоком.

  • Количество ячеек - количество ячеек выходной частоты в сигналах усиления и NF, создаваемых измерительным блоком. Ячейки БПФ в охватываемом спектре перераспределяются в эти выходные ячейки. Несколько ячеек БПФ, попадающих в одну и ту же выходную ячейку, усредняются.

  • Отношение среднего сигнала к среднеквадратичному шуму - отношение амплитуды среднего сигнала к среднеквадратичному шуму в DUT_in сигнале, создаваемом измерительным блоком. Большое значение улучшает сходимость вычисления коэффициента усиления DUT, но снижает точность вычисления шума из-за числовых неточностей.

  • Допуск усиления - порог изменения усиления относительно его среднего значения. При достижении порогового значения коэффициент усиления считается сходящимся, инициируя сброс для вычисления выходного 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;

См. также

Усилитель | Конфигурация | Inport | Вспомогательный порт

Связанные темы

Моделирование радиочастотного шума | Фазовый шум модели LO

Документация по блокам RF

Поддержка