Повышение чувствительности измерений за счёт вычитания мощности шума

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Если проблему создаёт мощность шума, то чем его уровень меньше – тем лучше

При проведении любых измерений мощность шума складывается с мощностью сигнала, внося тем самым погрешность в измерения. В связи с высокой точностью современных анализаторов сигналов, эта погрешность может быть весьма существенной, даже для сигналов, значительно превышающих уровень шумов.
К счастью, во многих измерениях этот аддитивный процесс можно компенсировать, повысив и точность измерения, и эффективную чувствительность. Такое улучшение характеристик особенно важно при измерении слабых сигналов в присутствии сильных. То есть, когда чувствительность нельзя улучшить, снижая ослабление или увеличивая усиление.
Ключом к этим улучшениям является знание добавленной мощности шума, и в большинстве случаев она соответствует уровню собственных шумов анализатора сигналов. Чтобы скорректировать типовое измерение спектра мощности, средняя мощность собственных шумов селективного фильтра анализатора вычитается в каждой точке из измеренного спектра мощности. Пример такого процесса показан на приведённом ниже рисунке.

Здесь показаны два спектральных измерения семитонального сигнала малой мощности. Каждый тон отличается от соседнего на 3 дБ, и масштаб равен 3 дБ/дел. Голубая кривая демонстрирует преимущества вычитания шума анализатора с помощью функции снижения собственных шумов (NFE) компании Keysight.

Вычитание мощности шумов анализатора выполняется с помощью простой математической функции для обработки кривых, применяемой к мощности (а не к уровню в дБ), но вот точно определить эту мощность не так уж и просто.
Прямой подход заключается в том, чтобы отключить исследуемый сигнал, выполнить измерения собственных шумов с большим усреднением, снова подключить сигнал и измерить его, вычитая шум. Это подход точен и эффективен, но может оказаться очень медленным. Кроме того, измерение собственных шумов нужно повторять при изменении схемы или условий измерения, особенно при изменении температуры.
Более совершенный метод включает точное моделирование собственных шумов анализатора сигналов во всех измерительных конфигурациях и условиях работы, а затем в применении этой информации для динамической коррекции измеренного сигнала. Этот метод не столь эффективен, как отдельное измерение собственных шумов, но значительно быстрее и удобнее. Кроме того, он не требует участия пользователя, не снижает скорости измерений, и, как показано выше, может повысить чувствительность анализатора сигналов Keysight PXA на 12 дБ.
Функция снижения собственных шумов (NFE) реализована в качестве стандартной в анализаторе сигналов PXA уже несколько лет назад, а теперь предлагается в виде опции для анализатора сигналов MXA. В MXA эта опция включается вводом лицензионного ключа и доступна для всех моделей. Для того, чтобы функция начала работать, нужно выполнить автокалибровку, которая занимает около 30 минут.
Опция NFE даёт улучшение во всём частотном диапазоне MXA, как показано ниже.

Собственный шум анализатора сигналов MXA показан в диапазоне от 10 МГц до 26 ГГц с функцией вычитания шума NFE и без неё. Эффективная чувствительность улучшилась в широком диапазоне частот примерно на 9 дБ без снижения скорости измерений и без отдельного измерения собственных шумов.

До сих пор наши рассуждения касались в основном чувствительности и связанных с нею последствий. Однако следует заметить, что при необходимости можно пожертвовать чувствительностью ради других преимуществ, таких как скорость измерения – при уменьшении разрешения по частоте скорость измерения увеличивается.
Подробную информацию об NFE и соответствующих улучшениях измерений можно найти в рекомендациях по применению Применение снижения собственных шумов в анализаторе сигналов PXA или на странице опции NFE для MXA.