CN104422828B - 估计器件引入的噪声的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本文公开了测量DUT的性质的装置和方法，该DUT通过将输入信号施加于该DUT的信号增益和该DUT引入的DUT噪声谱来表征。该装置包括第一和第二测量通道和控制器。该第一和第二测量通道通过对于不同通道相互不同的增益和噪声谱来表征，生成第一和第二测量信号。当将输入信号施加于该DUT的输入时，该控制器测量第一和第二测量信号的乘积的平均值，该控制器提供独立于第一和第二测量通道中的噪声谱、该DUT的输出的信噪比的度量。四通道实施例减少了测量DUT的增益和噪声谱所需的校准的次数。

Description

估计器件引入的噪声的方法和装置

技术领域

本发明涉及估计器件引入的噪声的方法和装置。

背景技术

器件测试的一个目的是测量该器件对该器件是其中的组件的电路贡献的噪声。例如，像通过电压增益和噪声功率谱密度N_A表征的放大器那样的受测器件(DUT)的噪声因子或噪声因数是表征该DUT提供的噪声贡献的一种方式。器件测试的另一个目的是在工作信号而不是测试信号通过DUT的同时监视该DUT的噪声贡献。

作出这样噪声测量的方法利用也将噪声引入测量中的实验装置；因此，必须使用某种方法将测量装置本身引入的噪声贡献与DUT贡献的噪声分开。依靠测量装置校准的方法在技术上是已知的。但是，校准过程是费时的，可能限制DUT测量的精度。另外，在测量装置提供的配置中DUT测量局限于测量装备提供的信号。这些测量可能无法精确表示利用用在真正电路上的工作信号操作的实际电路中DUT的噪声性能。

发明内容

本发明包括测量第一DUT的性质的方法和装置，该第一DUT通过第一DUT输入、第一DUT输出、第一DUT信号增益和该第一DUT引入的第一DUT噪声谱来表征。该装置包括第一和第二测量通道和控制器。该第一测量通道生成通过第一增益和该通道引入的第一噪声谱表征的第一测量信号，该第一测量通道与该第一DUT输出耦合。该第二测量通道生成通过第二增益和该通道引入的第二噪声谱表征的第二测量信号，该第二测量通道与该第一DUT输出耦合。当输入信号是该第一DUT输入时，该控制器测量第一测量信号和第二测量信号的频谱的叉积的平均值，该控制器提供离开该第一DUT输出的信号的信噪比(SNR)的度量，该度量独立于第一测量通道和第二测量通道中的噪声谱。

在本发明的一个方面中，该控制器使用具有已知噪声谱的输入信号确定包括第一和第二测量信号的乘积的平均值的第一校准乘积。将该第一校准乘积用于生成第一DUT的SNR测量。在另一个方面中，该控制器使用由短接第二DUT的输入和输出的直通连接组成的第二DUT确定包括第一和第二测量信号的乘积的平均值的第二校准乘积。将该第二校准乘积用于生成第一DUT的增益和第一DUT引入的噪声谱的测量。

在本发明的另一个方面中，该装置包括第三和第四测量通道。该第三测量通道生成通过第三增益和该通道引入的第三噪声谱表征的第三测量信号。该第三测量通道与该第一DUT的输入耦合。该第四测量通道生成通过第四增益和该通道引入的第四噪声谱表征的第四测量信号。该第四测量通道与该第一DUT输入耦合。当将输入信号施加于该第一DUT的输入时，该控制器测量第三和第四测量信号的乘积的平均值，以及两个交叉平均值包括第一或第二测量信号之一的频谱与第三或第四测量信号之一的叉积的平均值。该控制器提供独立于第一、第二、第三和第四测量通道中的噪声谱、和独立于使用不同DUT的任何单独校准测量的第一DUT输出的SNR的度量。

在第四测量通道实施例的又一个方面中，当第一DUT被包括第二DUT的输入与第二DUT的输出之间的短路的第二DUT取代时，该控制器测量第三和第四测量信号的平均值。该装置进一步包括测量来自第二DUT的输出功率的功率计。该控制器从对第一和第二DUT的测量中生成第一DUT的增益和噪声谱的度量。

在本发明的再一个方面中，第一噪声谱和第二噪声谱包含相互关联的分量。该控制器提供校正关联分量的交叉谱测量的校正值。在一个方面中，该校正值通过用将第二DUT的输入与第二DUT的输出短接的第二DUT取代第一DUT来确定。

附图说明

图1例示了利用谱密度N_A(f)从引入噪声的DUT中测量噪声贡献的测试系统；

图2例示了按照本发明的测量装置的一个实施例；

图3例示了按照本发明的测量装置的四通道实施例；

图4例示了本发明的四通道实施例的一种校准装置；以及

图5例示了可以测量和使用来自关联噪声源的贡献来校正噪声测量的方式。

具体实施方式

本发明使用相干测量接收器来消除不相干噪声源贡献。相干测量通道共享公用采样时钟，以及如果是RF降频转换，则还共享公用本机振荡器或公用频率源。可以利用基于两个、三个或四个相干通道的方法。这样的相干通道是网络分析器、观测设备、数字化器、和多通道RF接收器的一部分。

就当前讨论而言，将DUT的噪声因子定义成输入信号的SNR除以输出信号的SNR。为了简化如下讨论，假设DUT是增益随频率而变的放大器。该放大器引入也随频率而变的噪声。在如下讨论中用N_A(f)表示噪声谱密度。

现在参照图1，其例示了利用谱密度N_A(f)从引入噪声的DUT12中测量噪声贡献的测试系统。DUT12包括用A_D(f)表示的增益随频率而变的增益级。DUT12用引入具有谱密度N_S(f)的噪声的信号源14来模拟。DUT12的输出通过具有仪器增益A_R(f)，以及引入具有谱密度N_R(f)的噪声的仪器16来测量。因此，仪器16的输出包括来自信号源、DUT、和仪器本身的噪声贡献。为了提供来自DUT的噪声贡献的度量，必须除去对Y的其它噪声贡献。

在现有技术中，干扰噪声源的贡献通过校准接收器和信号源以便获取噪声函数N_S(f)和N_R(f)的测量来减小。假设这些干扰噪声源是无关联的，则可以从测量Y谱中减去这些贡献来获取N_A(f)的度量。但是，这种做法受提供干扰噪声谱密度函数的测量的校准过程的精度限制。

现在参照图2，其例示了按照本发明的测量装置的一个实施例。为了简化表示和方程，将不明确示出各种函数的频率相关性。在这个示范性实施例中，接收器具有测量DUT12的输出的两个独立通道。通道21用增益A_R1和噪声谱密度N_R1表征。通道22用增益A_R2和噪声谱密度N_R2表征。假设N_R1和N_R2是无关联的。通过在控制器中测量像两个通道的输出的交叉关联谱那样的两个通道的频谱的叉积的平均值，消除N_R1和N_R2的噪声贡献，因此，不再需要上面讨论的校准之一。但是，仍然必须确定信号源的噪声谱。控制器25可以是包括通用计算机和/或像信号处理电路那样的专门硬件的任何适当数据处理系统。

在一种感兴趣的情况下，用终止电阻取代信号源14。在这种情况下，信号源的噪声谱是已知的，即，kT噪声。这种噪声被DUT12放大，因此，

于是，如果两个通道和DUT的增益都是已知的，则可以确定N_A。两个通道的两个增益的乘积可以通过用直通连接取代DUT来确定。在这种情况下，A＝1，以及N_A＝0。因此，如果DUT的增益是已知的，则可以确定N_A。给定N_A，可以确定像噪声因子那样的各种噪声度量。

双通道方法省去了噪声校准测量的需要，并提供比依靠这样噪声功率相减方法的方法大的动态范围。但是，提供不依靠这样噪声功率相减方法的方法是有利的。现在参照图3，其例示了按照本发明的测量装置的四通道实施例。该四通道测量系统包括测量DUT12的输入信号的两个附加通道。这些附加通道用31和32示出。每个通道具有它自己的增益以及以与上面针对双通道实施例所述类似的方式引入噪声。并且，假设来自任何通道的噪声都与来自任何其它通道或来自信号源的噪声无关联。为了简化其余的图形，省略了对测量通道的输出作出测量的控制器；但是，要明白的是，测量通道的输出和测量Y的任何功率计都是该装置的一部分。

本发明无需校准测量地使用第一和第二测量信号的频谱的各种叉积来确定DUT引入的SNR谱。在一个实施例中，如下四个交叉谱平均都是度量：

再次省略了上面量值中的频率相关性，以便简化表示。来自DUT的SNR贡献可以按如下从这四个测量量值中计算出来：

应当注意到，其它交叉谱平均也已经被用于得出有关SNR的公式。例如，可以使用和导出有关SNR的类似关系。因此，四通道实施例不依靠校准数据和功率相关方法地提供了SNR测量。

为了获得DUT振幅A和噪声谱N_A的估计值，需要某种形式的校准。现在参照图4，其例示了本发明的四通道实施例的一种校准装置。在这种装置中，用如42所示的短接导体取代DUT。来自DUT的信号也通过功率计41来测量。各种交叉谱测量通过将测量量值除以测量功率来归一化。假设测试装置中的SNR足以保证功率计中的信号良好地近似于X²。在这种情况下，可以使用如下三个测量交叉谱量值得到DUT增益和噪声谱的度量。

然后可以使用如下两个方程确定DUT增益和噪声谱：

上述实施例假设了各种噪声源相互无关联。但是，实际上，可能存在与成对测量通道耦合的公共噪声源。这些噪声源往往源于像时钟、本机振荡器、功率分配器等那样的共享电路组件。现在参照图5，其例示了可以测量和使用来自关联噪声源的贡献来校正噪声测量的方式。为了简化讨论，图5牵涉到测量没有DUT，即，输入通道中的关联源对DUT的影响。在显示在图5中的实验安排中，用81和82示出的两个测量通道用于测量信号源14的输出。信号源14的输出也通过功率计83来测量。

假设每个测量通道具有增益、无关联噪声源、和关联噪声源。假设关联噪声源分别具有噪声谱G_N1(f)N_C(f)和G_N2(f)N_C(f)。每个噪声源用具有噪声谱N_C和耦合因子G的公用源表示。本发明使用交叉谱噪声相减来补偿这些源波场源。首先考虑接通信号源14以及噪声谱N_S(f)是热噪声的情况。然后通过下式给出交叉关联谱：

或

在如下讨论中，假设关联噪声贡献独立于来自信号源14的信号强度。如果关闭信号源S(f)，只剩下噪声源，则交叉谱测量得出：

现在假设接通S(f)，并使用信号源以便：

A₁A₂*|S|²＞＞A₁A₂*|N_S|²+G_N1G_N2|N_c|² (15)

然后，功率计83测量这个高功率源的|S(f)|²。然后可以将来自方程(13)的交叉谱用于测量A₁A₂*。也就是说，A₁A₂*是除以功率计83的输出的测量交叉谱。因此，如果对于特定信号N_S是已知的，则可以使用A₁A₂*的测量值估计G_N1G_N2|NC|²。于是，在实际测量期间，通过减去这个估计值G_N1G_N2|NC|²可以校正两个通道中的交叉谱项的测量值。虽然上述实施例校正了输入测量通道中的关联噪声，但通过使用将DUT的输入和输出短接在一起的校准DUT，可以将相同方法用于校正输出通道中的关联噪声。

本发明的上述实施例提供了测量DUT的信噪比、DUT的增益、和DUT引入的噪声的频谱的方法和装置。这些量值也可以用于计算像定义成输入信号的SNR与来自DUT的输出信号的SNR之比的噪声因子那样，电路设计人员感兴趣的其它噪声参数。可以证明，该噪声因子通过下式给出：

这里，B和B′是用于分别测量输入和输出信号的带宽。

上述实施例利用了计算用在本发明中的各种交叉通道乘积的控制器。该控制器可以由包括传统计算机和专用硬件的多种多样计算机器构成。

已经提供了本发明的上述实施例来例示本发明的各个方面。但是，要明白的是，可以组合显示在不同特定实施例中的本发明的不同方面来提供本发明的其它实施例。另外，对本发明的各种修改可以从上文的描述以及附图中明显看出。于是，本发明只受所附权利要求书的范围限制。

Claims (14)

1.一种测量第一DUT的装置，所述第一DUT通过第一DUT输入、第一DUT输出、第一DUT信号增益和该第一DUT引入的第一DUT噪声谱来表征，所述装置包含：

第一测量通道，所述第一测量通道生成通过第一增益和该通道引入的第一噪声谱表征的第一测量信号，所述第一测量通道与所述第一DUT输出耦合；

第二测量通道，所述第二测量通道生成通过第二增益和该通道引入的第二噪声谱表征的第二测量信号，所述第二测量通道与所述第一DUT输出耦合；以及

控制器，当将输入信号施加于所述第一DUT输入时，所述控制器测量所述第一测量信号和所述第二测量信号的频谱的叉积的平均值，所述控制器提供从所述第一DUT输出输出的信号的信噪比的度量，所述度量独立于所述第一噪声谱和所述第二噪声谱。

2.如权利要求1所述的装置，进一步包含：

第三测量通道，所述第三测量通道生成通过第三增益和该通道引入的第三噪声谱表征的第三测量信号，所述第三测量通道与所述第一DUT输入耦合；以及

第四测量通道，所述第四测量通道生成通过第四增益和该通道引入的第四噪声谱表征的第四测量信号，所述第四测量通道与所述第一DUT输入耦合，其中

当将输入信号施加于所述第一DUT输入时，所述控制器测量所述第三和第四测量信号的频谱的叉积的平均值，两个交叉平均值包含所述第一或第二测量信号之一的频谱与所述第三或第四测量信号之一的频谱的叉积的平均值，所述控制器提供独立于所述第一、第二、第三和第四噪声谱和独立于使用不同DUT的任何单独校准测量的来自所述第一DUT输出的输出信号的信噪比的度量。

3.如权利要求2所述的装置，其中当所述第一DUT被第二DUT取代时，所述第二DUT包含到所述第二DUT的输入与所述第二DUT的输出之间的短路，所述控制器测量所述第三和第四测量信号的频谱的叉积的平均值，以及其中所述装置进一步包含测量来自所述第二DUT的输出功率的功率计，所述控制器从对所述第一DUT的所述测量和对所述第二DUT的所述测量中生成所述第一DUT信号增益的度量和所述第一DUT噪声谱的度量。

4.如权利要求1所述的装置，包含使用具有已知噪声谱的输入信号确定包含所述叉积的所述平均值的第一校准乘积，将所述第一校准乘积用于生成所述第一DUT的信噪比测量。

5.如权利要求4所述的装置，包含使用第二DUT确定包含所述第一测量信号和所述第二测量信号的所述叉积的所述平均值的第二校准乘积，所述第二DUT包含短路所述第二DUT的输入和所述第二DUT的输出的直通连接，将所述第二校准乘积用于生成所述第一DUT信号增益和所述第一DUT噪声谱的测量。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述第一噪声谱和所述第二噪声谱包含相互关联的分量，以及所述控制器对所述平均值提供校正所述分量的校正值。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述校正值通过用第二DUT取代所述第一DUT来确定，在所述第二DUT中将所述第二DUT的输入与所述第二DUT的输出短路。

8.一种操作装置以测量第一DUT的方法，所述第一DUT通过第一DUT输入、第一DUT输出、第一DUT信号增益和该第一DUT引入的第一DUT噪声谱来表征，所述方法包含：

生成通过第一增益和第一测量通道引入的第一噪声谱表征的第一测量信号，所述第一测量通道与所述第一DUT输出耦合；

生成通过第二增益和第二测量通道引入的第二噪声谱表征的第二测量信号，所述第二测量通道与所述第一DUT输出耦合；

当将输入信号施加于所述第一DUT输入时，使所述装置测量所述第一测量信号和所述第二测量信号的频谱的叉积的平均值；以及

提供从所述第一DUT输出输出的信号的信噪比的度量，所述度量独立于所述第一噪声谱和所述第二噪声谱。

9.如权利要求8所述的方法，包含使用具有已知噪声谱的输入信号确定包含所述叉积的所述平均值的第一校准乘积，将所述第一校准乘积用于生成所述第一DUT的信噪比测量。

10.如权利要求9所述的方法，包含使用第二DUT确定包含所述第一测量信号和所述第二测量信号的所述叉积的所述平均值的第二校准乘积，所述第二DUT包含短路所述第二DUT的输入和所述第二DUT的输出的直通连接，将所述第二校准乘积用于生成所述第一DUT信号增益和所述第一DUT噪声谱的测量。

11.如权利要求8所述的方法，进一步包含：

生成通过第三增益和第三测量通道引入的第三噪声谱表征的第三测量信号，所述第三测量通道与所述第一DUT的所述输入耦合；

生成通过第四增益和第四测量通道引入的第四噪声谱表征的第四测量信号，所述第四测量通道与所述第一DUT的所述输入耦合；

当将输入信号施加于所述第一DUT的所述输入时，测量所述第三和第四测量信号的频谱的叉积的平均值，两个交叉平均值包含所述第一或第二测量信号之一的频谱与所述第三或第四测量信号之一的频谱的叉积的平均值；以及

提供独立于所述第一、第二、第三和第四噪声谱和独立于使用不同DUT的任何单独校准测量的所述第一DUT的输出的信噪比的度量。

12.如权利要求11所述的方法，包含当所述第一DUT被第二DUT取代时，所述第二DUT包含到第二DUT的输入与所述第二DUT的输出之间的短路，测量所述第三和第四测量信号的频谱的乘积的平均值，以及其中所述方法进一步包含测量来自所述第二DUT的输出功率，并从对所述第一DUT和所述第二DUT的所述测量中生成所述第一DUT信号增益和所述第一DUT噪声谱的度量。

13.如权利要求8所述的方法，其中所述第一噪声谱和所述第二噪声谱包含相互关联的分量，以及所述方法对所述平均值提供校正所述分量的校正值。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述校正值通过用第二DUT取代所述第一DUT来确定，在所述第二DUT中将所述第二DUT的输入与所述第二DUT的输出短路。