A ktualizováno v dubnu 2020
Orientační metoda pro ověření šumového čísla pomocí signálního generátoru a SW spektrálního analyzátoru ke zvukové kartě PC
Všeobecně Za standardní a rozšířenou metodu měření šumového čísla je považována metoda měření přístrojem Hewlett- Packard HP8970A se zdrojem šumu HP-346B, která byla popsaná mnohokrát také na internetu. Je zmíněná i v bakalářské práci pana Davida Mimlicha, kterou vypracoval pod vedením Ing. Karla Witase z VŠB Ostrava. Protože je v diplomové práci hezky udělaný souhrn šumové problematiky, uvádím s radostí tuto práci ke stažení zde. Za méně standardní metodu považuji metodu měření Noise Figure bez zdroje šumu pomocí VNA, kterou uvedla firma Rohde-Schwarz, ke stažení zde. A za vidláckou orientační metodu považuji metodu, která využívá signálního generátoru s nízkou úrovní signálu, ham transceiveru SSB, zvukové karty a programu - spektrálního analyzátoru ke zvukové kartě. Metoda je odvozena na základě jednoduché úvahy z definice Noise Figure (dB) a Noise Faktor (bezrozměrné). Popsal jsem ji zde. Princip měření O měření raději nebudeme mluvit (jde o vidlácké experimentální ověřování). Přesto je metoda za určitých podmínek použitelná pro srovnávání různých předzesilovačů. Příklad, který zde popisuji byl proveden na kmitočtu kolem 432.120 MHz. Byly použity dva rozdílné předzesilovače. Jeden (LNA2) je osazen moderním obvodem MMIC v malém pouzdře, s optimalizací vstupního obvodu a s šumovým číslem změřeným pomocí měřiče šumu HP NF2 = 0.8 dB. Druhý (LNA1) byl proveden se starším typem MMIC. Vstupní obvod je připojen k systémové impedanci 50 Ohmů mikropáskovým vedením na kuprextitu FR4. Šumové číslo nebylo pomocí měřiče šumu HP měřeno. Použité přístroje 1. Signální generátor s výstupním atenuátorem a nízkou výstupní úrovní (srovnatelnou s úrovní šumu vstupních obvodů RX). 2. Přijímač v pásmu 432 MHz, s filtrem nastaveným na šířku kolem 2.5 kHz. Konkrétně jsem použil TCVR Kenwood TS-2000 s vypnutým AGC a s pevně nastaveným ziskem. 3. Zvuková karta s rozhraním USB, kterou používám při provozu módů WSJT-X. 4. SW vybavení pro spektrální analýzu audiosignálů ze zvukovky. V tomto bodě uvedu základní požadavky na vhodný SW: a) Možnost nastavit zobrazení na obrazovce monitoru s rozlišením 1920 x 1080 bodů tak, aby na svislé stupnici úrovní jsme byli schopni rozlišovat úrovně 1 dB nebo jemněji. b) Možnost nastavit na svislé ose vhodný rozsah, např. jen 30 až 40 dB, nikoliv škálu od 0 do -100 dB nebo od 0 do -130dB, takové zobrazení se nehodí. c) Možnost nastavit tzv. averiging (průměrování) zobrazených hodnot. Co očekáváme, než zapneme přístroje? 1. Že viditelně poznáme LNA zesilovač s horším a lepším šumovým číslem. Zesilovač s horším šumovým číslem bude mít menší poměr signál/šum (S/N). 2. Že poznáme zesilovač LNA s větším a menším ziskem. Zesilovač s větším ziskem nemusí mít lepší šumové číslo. Bohužel, takový zesilovač jsem mezi tím, co mám doma, nenašel, abych zde ukázal. 3. Že budeme schopni orientačně stanovit šumové číslo druhého LNA, pokud známe šumové číslo jednoho LNA. Alespoň v případě, že se NF (dB) až tak neliší. Zásady 1. Měřené předzesilovače zapojíme ke vstupu TCVRu pomocí vhodného přepínače. Já jsem použil přepínač s mikrovlnným relé HF365 (použitelné do cca 2.5 GHz). 2. Pro měření použijeme tentýž, jeden a ten samý a stejně nastavený signální generátor s dobrým atenuátorem na výstupu. Po nastavení na generátoru s ničím nehejbáme a měření provedeme u všech LNA po sobě, bez vypnutí a opětovného zapnutí. 3. Výstupní úroveň generátoru volíme takovou, abychom pracovali se signálem jen několik dB nad vlastní úrovní šumu (viděno ve spektru na výstupu). Já jsem při tomto experimentu pracoval s úrovní mezi 15 dB až 20 dB signál/šum. Měření pozadí 1. Zapojíme všechny přístroje, tj. v pořadí generátor s atenuátorem, předzesilovač LNA1 nebo LNA2, přepínač předzesilovačů, RX (TCVR nastavený např. na USB nebo LSB pásmo), zvuková karta USB, PC s programem pro pektrální audio analýzu. 2. Zapneme všechny přístroje, nastavíme úrovně spektrálního analyzátoru, aby ukazoval spektrum z generátoru. 3. Naladíme zázněj na RX (TCVR) tak, abychom nosnou viděli např. na hodnotě kolem 1 kHz. 4. Vypneme na generátoru nosnou a změříme šumové pozadí. Pro moje dva LNA1 a LNA2 vypadá dost podobně a takto: U obrázků se zastavíme a všimneme si: a) Je vidět kmitočtová charakteristika nastaveného SSB filtru TCVRu, za kmitočtem cca 2.5 kHz je vidět pokles. b) Šum ve spektru poskakuje v rozpětí několika dB. S tím nic nenadělám. Musíme se s tím naučit nějak žít, pracovat a vyzkoušet si např. tzv. averiging, abychom byli schopni najít zobáčky užitečných signálů a alespň něco naměřit. c) Protože zobáčky očekávám kolem 1 kHz, namaloval jsem čáru s úrovní pozadí tak, aby kolem tohoto kmitočtu bylo spektrum pozadí pod touto čárou. Vždy to budeme dělat stejně, proto je dobré naučit se vhodný návyk. d) Je pouze náhoda, že pozadí vykazuje u jednoho i druhého LNA stejnou hodnotu. To tak být nemusí. Zřejmě se však obvody generátoru podílejí velkou měrou na šumu na vstupu každého LNA a fungují jako šumové generátory. Měření spektra signálu z generátoru 1. Přístroje máme zapojené jako v předchozím případě. 2 Zapneme generátor, aby generoval nosnou a změříme oba LNA2 a LNA1: Čeho si všimneme? Kromě toho, že mi během měření ujel kmitočet generátoru dolů :-) 1. Na malých obrázcích vidíme málo důležitých detailů. Všechna 4 použitá spektra lze stáhnout v původní velikosti zde - zip file. 2. Horní obrázek (LNA2) dává maximální úroveň na špičce spektrální čáry -36.5 dB. Dolní obrázek (LNA1) dává maximální úroveň ve stejném bodě jen -46 dB. Zesilovač LNA2 má tedy o 10 dB menší zisk. Zisky jsem měřil před tímto pokusem pomocí nanoVNA a přibližně to odpovídá skutečnosti. Pokud plus-mínus jeden dB není pro nás u zisku žádná míra, ale budiž. 3. Který LNA je z hlediska šumového lepší? Všímáme si odstupu signál/šum. Pro zesilovač LNA2 je S2/N2 = 18.5 dB. Pro druhý zesilovač LNA1 je S1/N1 = 17dB. Zesilovač LNA1 má horší poměr signál šum, bude mít vyšší šumové číslo. 4. Hlavně si všimněte nejslabšího místa této orientační metody. V příkladu rozlišujeme u odstupu S/N v rozdílu cca 1.5 dB. V amatérské praxi potřebujeme rozlišovat v rozdílech menších, než 1 dB. Aby to šlo, musí použitý SW pro spektrální analýzu mít tak jemnou škálu úrovní, aby jeden dB byl roztažen alespoň na půl centimetru až jeden centimetr, abychom tam mohli vůbec něco odečíst. SW musí umožnit averiging, aby nám pozadí necestovalo poblíž spektrální čáry o několik dB. Dalším slabým místem mého příkladu je použitý signální generátor. Není to generátor čistého spektra, ale slušný "šumový" generátor, u kterého z šumového spektra vykukuje nevysoká spektrální čára (zobáček). 5. Použijeme rovnici, kterou jsme si odvodili na stránce s definicí šumového čísla (Noise Figure v dB) a šumového faktoru (Noise Faktor) a začneme dosazovat: NF1 (dB) = NF2 (dB) + S2/N2 (dB) - S1/N1 (dB) 6. Zesilovač LNA2 má jinou metodou změřené šumové číslo NF2 = 0.8 dB. Po dosazení (a bez kalkulačky) nám vyjde toto: NF1 (dB) = 0.8 (dB) + 18.5 (dB) - 17 (dB) = 0.8 + 1.5 = 2.3 dB NF1 = 2.3 dB 7. Zesilovač LNA1 má šumové číslo NF1 = 2.3 dB, které bylo stanoveno vidláckou srovnávací metodou s pomocí přístrojů, které nejsou ideální. Poznámky 1. Použitý generátor je DDS s výstupními atenuátory, kterými snižuji úroveň šumu k prahové citlivosti RX s LNA. Generátor není úplně vhodný. Jeho výstupní signál je reprezentován hlavně šumem, nad kterým vykukuje o několik dB zobáček užitečného spektra. 2. S ohledem na předchozí bod poznámek a s ohledem na definici šumového čísla generátor při měření se signálem a bez signálu od LNA neodpojujeme. Můj generátor umožňuje vypnout generování signálu tlačítkem, ale všechny výstupní obvody zůstávají k atenuátoru připojeny. Úroveň šumu na pozadí se při takovém vypnutí nemění. Pokud by toto odpojení generátor neumožňoval, odladíme ho na jiný kmitočet mimo filtry RX. 3. Výstupní obvody generátoru přispívají na vstupu RX značným šumem. Můžeme si vyzkoušet, jakou úroveň šumu naměříme bez generátoru a s generátorem. 4. Měření jsem dělal s nastavením RX tak, aby měl konstntní zisk (s vypnutým AVC). V praxi však vždy realizujeme příjem s optimálně nastaveným ziskem RX, který je obvykle řízen AGC. Při tomto experimentu si můžeme ověřit, jak se chová řízení zisku RX. Zvyšujeme-li úroveň signálu, regulace AGC zasáhne. Ve spektru se nám přestěhuje zobáček k jiným, vyšším úrovním, ale možná nás překvapí, že odstup S/N se obvykle nezmění. Závěr Stanovení šumového čísla uvedenou metodou považujte opravdu za orientační. Spíš za vrchol mé drzosti. Pedagogický význam použité metody je však jinde. V běžné praxi je nezbytné, aby každý radioamatér, který se věnuje příjmu slabých signálů, si plně uvědomoval, jak bylo podle pana Friise šumové číslo definováno a jaký je jeho vztah k šumovému faktoru. Je nutné si ve dne v noci připomínat, že každý zesilovač nám bude sice signál zesilovat, ale poměr S/N vždy zhoršovat. Každý analogový signál tedy po zesílení degraduje a je to vidět na poměru S/N. V praxi je však nutné se na vlastní oči přesvědčit, co se děje se spektrem, pokud použijeme předzesilovač s rozdílnou mírou šumu. A to všechno lze i na těch nejjednodušších přístrojích na vlastní oči vidět.
TU 73, Mira, ok1ufc