La figura di rumore e il metodo “cold-noise”

Il fattore di rumore e la figura di rumore sono misure di merito ampiamente utilizzate per i sistemi a radiofrequenza che descrivono il degrado del rapporto segnale / rumore quando un segnale passa attraverso il sistema. Quest’ultimo potrebbe consistere in un singolo amplificatore o in un insieme più complesso come un convertitore di frequenza, con amplificatori, mixer e filtri. Di solito, la riduzione del rapporto Snr è dovuta al rumore elettrico aggiunto dai dispositivi attivi all’interno del sistema. Il fattore di rumore (F) è definito come l’Snr di ingresso diviso per l’Snr di uscita. Per qualsiasi componente attivo del mondo reale, il rumore di uscita è maggiore del rumore in ingresso moltiplicato per il guadagno del dispositivo, a causa del rumore prodotto all’interno del Dut. Ciò significa che l’Snr all’uscita è più piccolo dell’Snr all’ingresso, risultando in F maggiore di uno. La figura di rumore (NF) è semplicemente il fattore di rumore espresso in decibel (NF = 10 * log [F]). Esistono due tecniche per la misura della figura di rumore. Il metodo predominante è il fattore Y o la tecnica della sorgente calda / fredda e viene utilizzato con analizzatori di figure di rumore e soluzioni basate su analizzatori di spettro. Il metodo del fattore Y utilizza una sorgente di rumore calibrata costituita da un diodo a valanga ottimizzato per il rumore che può essere attivato o disattivato. Quando il diodo è spento la sorgente di rumore genera la stessa quantità di rumore di una terminazione a temperatura ambiente. Quando il diodo è polarizzato, la conseguente rottura della valanga crea un notevole rumore elettrico, oltre a quello fornito da una terminazione a temperatura ambiente. Questa quantità di rumore extra è caratterizzata da una tabella dei valori di rapporto di eccesso di rumore, o Enr, rispetto alla frequenza. Fornendo due livelli di potenza del rumore come stimolo, il metodo del fattore Y produce il guadagno e la figura di rumore del dispositivo sotto test. La tecnica della sorgente fredda combina una singola terminazione a freddo per misurare la potenza del rumore in uscita, contestualmente a una misurazione separata del guadagno. Questo metodo è utilizzato dalla maggior parte degli analizzatori di reti vettoriali, in cui il guadagno del Dut viene misurato utilizzando parametri S standard. Poiché i Vna possono fornire misurazioni vettoriali (magnitudo e fase) sia del sistema di test che del Dut, è possibile applicare metodi avanzati di correzione degli errori per ottenere un’accuratezza di misura superiore rispetto al metodo del fattore Y. Questo vantaggio è maggiore per ambienti on-wafer, in-fixture o test automatici, in cui la sorgente di rumore non può essere collegata direttamente al Dut.

Misurazioni NF a sorgente fredda basate su Vna

Le misurazioni delle figure di rumore a sorgente fredda sono costituite da due parti separate. La prima parte consiste nella misura dei parametri S del Dut. Per questa parte, la sorgente sinusoidale del Vna viene utilizzata con i ricevitori Vna standard. Tutte le normali impostazioni dei parametri S si applicano a questa fase, come i livelli di potenza diretta e inversa, le impostazioni dell’attenuatore sorgente e la larghezza di banda IF. La seconda parte è la misurazione della potenza del rumore in uscita del Dut. Per questa fase, le sorgenti sinusoidali vengono disattivate e la potenza del rumore in uscita del Dut viene in genere misurata con un ricevitore incorporato a basso rumore. Per le misurazioni della potenza del rumore, sono disponibili impostazioni di misura univoche che non sono correlate a quelle del parametro S. Esempi importanti sono la larghezza di banda del rumore del ricevitore, il numero di medie utilizzate per le misure della potenza del rumore e la temperatura ambiente della terminazione dell’ingresso della sorgente fredda. Per ottimizzare la misurazione complessiva della figura di rumore, è necessario eseguire ottimizzazioni indipendenti delle due parti.

Calibrare la misura di cifra di rumore

La calibrazione per le misurazioni di figura di rumore a sorgente fredda ha componenti separate, rispecchiando il modo in cui viene effettuata la misura. Alla base vi sono una calibrazione del parametro S per fornire i normali coefficienti di correzione degli errori vettoriali, oltre alla caratterizzazione del rumore del ricevitore, che determina la quantità di rumore da sottrarre dalla misura del rumore (non corretta) per fornire risultati che dipendono solo dal Dut. La quantità di potenza del rumore generata e misurata da qualsiasi ricevitore di rumore è influenzata dal suo guadagno, dalla larghezza di banda e dalla figura di rumore. Maggiore guadagno del ricevitore significa maggiore potenza misurata. La quantità di rumore misurata dal ricevitore dipende anche dalla sua larghezza di banda. Quindi possiamo dire che il contributo complessivo al rumore è proporzionale al guadagno ed alla larghezza di banda del ricevitore. Guadagno e larghezza di banda possono essere misurati separatamente o insieme come un unico prodotto. Il metodo della sorgente di rumore per caratterizzare un ricevitore misura il prodotto combinato di larghezza di banda e di guadagno, applicando una quantità nota di rumore in eccesso della sorgente di rumore. Non c’è modo di separare quanto del rumore misurato è dovuto al guadagno del ricevitore e quanto è dovuto alla sua larghezza di banda. Il PNA-X di Keysight offre un’alternativa all’utilizzo di una sorgente di rumore per determinare il prodotto della larghezza di banda e del guadagno. Questo metodo richiede l’uso di un misuratore di potenza come standard di calibrazione e utilizza misurazioni separate del guadagno del ricevitore di rumore e della larghezza di banda. Innanzitutto, il misuratore di potenza viene utilizzato per calibrare il livello di potenza della sorgente Rf del PNA-X attraverso la gamma di frequenze desiderata. Quindi, la sorgente calibrata viene utilizzata per calibrare il guadagno del ricevitore del rumore. Successivamente, per ciascun punto nell’intervallo di frequenza, un segnale viene applicato all’ingresso del filtro IF del ricevitore. La risposta di questo segnale è integrata per calcolare la larghezza di banda del rumore equivalente. I valori di guadagno e di larghezza di banda del rumore sono combinati per fornire il prodotto della larghezza di banda e del guadagno del ricevitore di rumore.

Verifica della calibrazione della misura della cifra di rumore

Dopo aver eseguito una calibrazione del valore di rumore, il modo migliore per verificare la calibrazione è controllare in modo indipendente le due parti che costituiscono la misura della figura del rumore. Per la parte del parametro S è possibile utilizzare i metodi di verifica dei parametri S standard. La verifica più semplice consiste nel misurare un cavo o un adattatore passante e accertarsi che S21 sia privo di ripple e centrato a o leggermente al di sotto di 0 dB. Inoltre, S11 e S22 possono essere misurati con aperture o cortocircuiti, con una risposta prevista attorno a 0 dB. Se è disponibile un kit di verifica, è possibile misurare ulteriori standard di verifica come un attenuatore o una linea di transmissione disadattata. Verificare la parte del rumore della calibrazione del ricevitore con un dispositivo passante come un cavo o un attenuatore non è una buona scelta, per due motivi. Primo, un passivo non fornisce alcun rumore in eccesso, come farebbe un dispositivo con guadagno. Ciò significa che la potenza del rumore misurata con il passaggio o l’attenuatore è la stessa misurata durante il processo di calibrazione. Quando vengono sottratti due set di dati di basso livello e rumorosi, la differenza risultante mostra alti livelli di variazione del rumore (jitter). Il rumore di traccia peggiora con l’aumentare della frequenza e la sensibilità del ricevitore al rumore si riduce. La seconda ragione per cui la misura di un dispositivo senza eccessiva rumorosità è una cattiva scelta per la verifica è che tale dispositivo non controlla che il guadagno della larghezza di banda del ricevitore sia stato correttamente misurato. Per dimostrare questo concetto, la Fig. 2 mostra i risultati di una calibrazione eseguita con una sorgente di rumore “cattiva”, che è stata creata aggiungendo un attenuatore da 3 dB all’uscita della sorgente di rumore senza modificare la sua tabella Enr. Con questa calibrazione, la traccia inferiore mostra la figura del rumore di un adattatore passante. Mentre la traccia è centrata attorno a 0 dB come previsto, i dati mostrano una variazione da picco a picco di oltre un paio di dB, a causa della mancanza di rumore in eccesso come spiegato in precedenza. La figura di rumore misurata di un amplificatore con l’utilizzo di questa calibrazione viene mostrata sulla traccia superiore e confrontandola con una misura eseguita con una calibrazione corretta, si può osservare che la cattiva calibrazione produce risultati errati di circa 3 dB. Tuttavia, la misurazione passante che utilizza la calibrazione errata è ancora centrata attorno a 0 dB. Ciò dimostra che la misurazione di un dispositivo senza eccessiva rumorosità (come un adattatore o un attenuatore) è insufficiente per determinare se il ricevitore del rumore sia stato correttamente calibrato. Un modo migliore per verificare la calibrazione del ricevitore del rumore è misurare un dispositivo con una quantità nota di rumore in eccesso. Questo è esattamente ciò che viene fornito da una fonte di rumore. Poiché l’Enr può essere misurata e visualizzata direttamente sul Vna, una nota fonte di rumore che non è stata utilizzata per la calibrazione costituisce uno standard di verifica eccellente. Diamo prima un’occhiata a cosa succede se la stessa fonte di rumore viene utilizzata per la calibrazione e la verifica. In questo caso, useremo la nostra sorgente di rumore “cattiva” che include l’attenuatore da 3 dB. La traccia più in alto della Fig. 2 mostra che la Enr misurata della sorgente di rumore “cattiva” corrisponde alla tabella Enr non modificata, anche quando il rumore in eccesso effettivo proveniente dalla sorgente di rumore è inferiore di 3 dB rispetto alla sorgente di rumore non modificata. Questo può essere generalizzato per affermare che la misura Enr di qualsiasi sorgente di rumore che è stata utilizzata durante la calibrazione del rumore mostrerà tutti i valori nella sua tabella Enr, indipendentemente dal fatto che la sorgente di rumore stia generando rumore che corrisponde ai valori Enr. Quando la “cattiva” fonte di rumore viene misurata utilizzando una calibrazione del rumore basata sul misuratore di potenza, vediamo chiaramente che i valori Enr sono inferiori di circa 3 dB, come mostrato nella traccia inferiore della Fig. 3. Quando la sorgente di rumore non modificata (senza l’attenuatore da 3 dB) viene misurato utilizzando una calibrazione del rumore basata sul misuratore di potenza, i risultati sono quasi identici ai valori Enr, come dimostrato dal buon accordo tra le prime due tracce. Poiché i valori Enr misurati corrispondono alla tabella Enr, possiamo dedurre che la calibrazione del ricevitore del rumore basata sul misuratore di potenza è corretta.

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