一种噪声源超噪比的测试方法、系统、设备及介质与流程

1.本发明属于噪声测试技术领域，具体涉及一种噪声源超噪比的测试方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.johnson在上世纪20年代用实验证明，在不加电压的电阻两端，可以检测到电子噪声电压。1928年，nyquist[7]通过理论计算得到电阻产生的噪声电压大小，按照nyquist定理，如果电阻的阻值和温度保持一定，则电阻将产生一定的噪声功率。按照该原理，出现了各种形式的噪声源，如johnson噪声源，c.t.stelzried于1961年制造的液态氮冷却同轴负载噪声源[8]，a.jurkus于1965年制造的低温标准噪声源，r.c.menon于1966年制造的毫米波低温噪声源，halford于1966年制造的工作于400℃温度下的电阻噪声源等。1946年，r.h.dicke证明黑体辐射与johnson噪声源具有一样的效果，它的噪声温度与它的物理温度在绝对黑体条件下相同。
[0003]
60年代开始，人们在开发短波和微波过程中逐渐对噪声研究引起重视，国外开始有人对噪声进行详细研究，这时候国外陆续出现了气体放大管、饱和二极管、雪崩二极管等研制的噪声源。进入21世纪，国外陆续出现采用微波单片集成形式的噪声源，输出的噪声信号频率也越来越高，噪声信号的研究对于通信和雷达领域具有重要影响。
[0004]
国内噪声源由于加工工艺和半导体技术的限制，起步较国外晚，直到八十年代开始才有人有对噪声源进行研究。由于研究噪声源时间短，在加工工艺、半导体技术、设计方法上都与国外有较大差距。目前，国内噪声源的研究主要在噪声信号频谱、加工工艺和噪声二极管应用方向上，在研究数量和质量都与国外有较大差距。
[0005]
噪声管作为噪声源的关键器件，其性能会明显影响噪声源的性能。当给噪声二极管提供较大直流电压的直流偏置时，雪崩二极管反向偏置，雪崩效应产生一个很大的直流和包含所有高频成分的随机电流，直流成分注入电源，而随机高频信号通过匹配网络从射频输出口输出。对于商用噪声源来说，一般用“超噪比”来表征噪声源获得的较高等效噪声温度和较低等效噪声温度的相差幅值。


技术实现要素：

[0006]
本发明针对上述缺陷，提供一种可以持续屏蔽空间电磁干扰、减小测量抖动，并可以对噪声源的超噪比误差分析及在计算中的损耗的修正的噪声源超噪比的测试方法、系统、设备及介质。
[0007]
本发明提供如下技术方案：一种噪声源超噪比的测试方法，包括以下步骤；
[0008]
s1：输入噪声源工作电压，宽带匹配电路向所述固态噪声发生器中的噪声二极管发出警告匹配后的电压；
[0009]
s2：所述频谱仪接收所述s1步骤发出的警告匹配后的电压，并接收放大器对噪声二极管的增益g，构建实时监测t时刻、m个信道的于t(t)温度下的混合信号h1存在下的第一
信道检测函数a(t)，以及真实信号n0存在下的第二信道检测函数b(t)，t＝1,2,
…
k；
[0010]
s3：根据所述s2构建的第一信道监测函数a(t)和第二信道监测函数b(t)，构建信道对其信号概率检测函数q(t)，并计算于t时刻、t(t)温度下的信道对其信号的检测概率ps、漏检概率p0；
[0011]
s4：主控制模块计算信号和噪声的有效功率snr(q(t))；
[0012][0013]
s5：主控制模块根据s4步骤计算得到的t时刻的有效功率snr(q(t))计算在t0至ts温度范围内超过温度t(t)的信号的功率谱密度psd；
[0014]
s6：采用cnn算法优化迭代功率谱密度psd；
[0015]
s7：判断其是否噪声源超噪比enr符合超噪比阈值范围，若符合，则得到最终优化后的频谱仪监测噪声源超噪比的功率谱密度；否则重复所述步骤s1-s6。
[0016]
进一步地，于所述第一信道监测函数下a(t)的混合信号h1为真实信号h0和高斯白噪声n0形成的混合信号，即h1＝h0 n0。
[0017]
进一步地，所述s3步骤构建的信道对其信号概率检测函数q(t)为：
[0018][0019]
θ[
·
]函数给出了信道对信号概率检测的算法运行时间的上界和下界，q(t)的运行时间上界为[a(t)]，q(t)的运行时间上界为[b(t)]。
[0020]
进一步地，所述步骤s3中计算于t时刻、t(t)温度下的信道对其信号的检测概率ps、漏检概率p0的方法，包括以下步骤：
[0021]
s31：将所述信道对其信号概率检测函数q(t)的函数值与实时监测t时刻、m个信道的于t(t)温度下的混合信号h1和阈值λ的比值比较，并将1-q(t)与所述比较；
[0022]
s32：采集实时监测t时刻、m个信道的于t(t)温度下的混合信号h1的固有被监测概率pr；
[0023]
s33：构建检测概率ps计算模型和漏检概率p0计算模型：
[0024][0025][0026]
进一步地，所述s5步骤功率谱密度psd计算公式为：
[0027][0028]
进一步地，所述噪声源超噪比enr的计算公式为：enr＝psd 174-g，所述g为放大器为噪声二极管所带来的增益。
[0029]
进一步地，所述噪声源超噪比enr的超噪比阈值范围为所述噪声源超噪比enr符合以下条件：21.5≤enr≤24.5。
[0030]
本发明还提供采用上述方法的噪声源超噪比的测试系统，所述系统包括外接电
源、固态噪声发生器、频谱仪，所述固态噪声发生器包括宽带匹配电路、噪声二极管、隔直电容、衰减器，在所述固态噪声发生器和所述频谱仪之间还设置有放大器。
[0031]
本发明还提供一种噪声源超噪比的测试装置，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的噪声源超噪比的测试方法。
[0032]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的噪声源超噪比的测试方法。
[0033]
本发明的有益效果为：
[0034]
1、本发明提供的噪声源超噪比测试方法，通过构建信道对其信号概率检测公式信号概率检测函数q(t)，实时监测信道检测到的信号(真实信号和具有高斯白噪声的混合信号)，通过计算于t时刻、t(t)温度下的信道对其信号的检测概率ps、漏检概率p0，进而计算信号和噪声的有效功率snr(q(t))，再进一步计算在t0至ts温度范围内超过温度t(t)的信号的功率谱密度psd，然后计算噪声源超噪比enr是否在超噪比阈值范围内，采用cnn算法迭代有效优化最终在t0至ts温度范围内的，超过温度t(t)的信号的功率谱密度psd，提高其计算的准确度，进而有效提高噪声源超噪比的计算准确度。
[0035]
2、本发明提供的噪声源超噪比测试方法、系统和装置可以持续屏蔽空间电磁干扰、减小测量抖动，并可以对噪声源的超噪比误差分析及在计算中的损耗的修正。
[0036]
3、本发明提供的噪声源超噪比测试系统和装置安装方便、性能稳定可靠、电路结构简单、成本低并且工作稳定可靠。
[0037]
4、使用本发明提供的噪声源超噪比测试方法对噪声源进行超噪比测试，最后用公式计算得到噪声源输出噪声信号的超噪比，实现容易，且数据有着较高的准确性和可靠性。
附图说明
[0038]
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
[0039]
图1为本发明提供的噪声源超噪比测试方法流程示意图；
[0040]
图2为本发明提供的噪声源超噪比测试系统结构示意图；
[0041]
图3为发明测试例1进行噪声源超噪比测试现场图；
[0042]
图4为发明测试例1进行噪声源超噪比测试现场接线图；
[0043]
图5为本发明测试例1中的放大器a的增益曲线；
[0044]
图6为本发明测试例1中的放大器b的增益曲线；
[0045]
图7为本发明测试例2中频谱仪自身电路噪声频谱分布图；
[0046]
图8为本发明测试例2中频谱仪上显示的噪声源经放大后的频谱分布曲线；
[0047]
图9为测试例3提供的超噪比测试设置下6ghz处的噪声功率谱密度分布图；
[0048]
图10为测试例3提供的超噪比测试设置下噪声源噪声功率谱密度测试曲线图；
[0049]
图11为测试例3提供的用公式计算得到噪声源输出噪声信号的超噪比最终测试结果示意图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
实施例1
[0052]
如图1所示，为本发明提供的一种噪声源超噪比的测试方法，包括以下步骤；
[0053]
s1：输入噪声源工作电压，宽带匹配电路向固态噪声发生器中的噪声二极管发出警告匹配后的电压；
[0054]
s2：频谱仪接收s1步骤发出的警告匹配后的电压，并接收放大器对噪声二极管的增益g，构建实时监测t时刻、m个信道的于t(t)温度下的混合信号h1存在下的第一信道检测函数a(t)，以及真实信号n0存在下的第二信道检测函数b(t)，t＝1,2,
…
k；
[0055]
s3：根据s2构建的第一信道监测函数a(t)和第二信道监测函数b(t)，构建信道对其信号概率检测函数q(t)，并计算于t时刻、t(t)温度下的信道对其信号的检测概率ps、漏检概率p0；
[0056]
s4：主控制模块计算信号和噪声的有效功率snr(q(t))；
[0057][0058]
s5：主控制模块根据s4步骤计算得到的t时刻的有效功率snr(q(t))计算在t0至ts温度范围内超过温度t(t)的信号的功率谱密度psd；
[0059]
s6：采用cnn算法优化迭代功率谱密度psd；
[0060]
s7：判断其是否噪声源超噪比enr符合超噪比阈值范围，若符合，则得到最终优化后的频谱仪监测噪声源超噪比的功率谱密度；否则重复步骤s1-s6。
[0061]
实施例2
[0062]
本发明提供的一种噪声源超噪比的测试方法，包括以下步骤；
[0063]
s1：输入噪声源工作电压，宽带匹配电路向固态噪声发生器中的噪声二极管发出警告匹配后的电压；
[0064]
s2：频谱仪接收s1步骤发出的警告匹配后的电压，并接收放大器对噪声二极管的增益g，构建实时监测t时刻、m个信道的于t(t)温度下的混合信号h1存在下的第一信道检测函数a(t)，以及真实信号n0存在下的第二信道检测函数b(t)，t＝1,2,
…
k；第一信道监测函数下a(t)的混合信号h1为真实信号h0和高斯白噪声n0形成的混合信号，即h1＝h0 n0；
[0065]
s3：根据s2构建的第一信道监测函数a(t)和第二信道监测函数b(t)，构建信道对其信号概率检测函数q(t)，并计算于t时刻、t(t)温度下的信道对其信号的检测概率ps、漏检概率p0；
[0066]
s4：主控制模块计算信号和噪声的有效功率snr(q(t))；
[0067][0068]
s5：主控制模块根据s4步骤计算得到的t时刻的有效功率snr(q(t))计算在t0至ts温度范围内超过温度t(t)的信号的功率谱密度psd；
[0069]
s6：采用cnn算法优化迭代功率谱密度psd；
[0070]
s7：判断其是否噪声源超噪比enr符合超噪比阈值范围，若符合，则得到最终优化
后的频谱仪监测噪声源超噪比的功率谱密度；否则重复步骤s1-s6。
[0071]
实施例3
[0072]
本发明提供的一种噪声源超噪比的测试方法，包括以下步骤；
[0073]
s1：输入噪声源工作电压，宽带匹配电路向固态噪声发生器中的噪声二极管发出警告匹配后的电压；
[0074]
s2：频谱仪接收s1步骤发出的警告匹配后的电压，并接收放大器对噪声二极管的增益g，构建实时监测t时刻、m个信道的于t(t)温度下的混合信号h1存在下的第一信道检测函数a(t)，以及真实信号n0存在下的第二信道检测函数b(t)，t＝1,2,
…
k；第一信道监测函数下a(t)的混合信号h1为真实信号h0和高斯白噪声n0形成的混合信号，即h1＝h0 n0；
[0075]
s3：根据s2构建的第一信道监测函数a(t)和第二信道监测函数b(t)，构建信道对其信号概率检测函数q(t)，并计算于t时刻、t(t)温度下的信道对其信号的检测概率ps、漏检概率p0；
[0076]
构建的信道对其信号概率检测函数q(t)为：
[0077][0078]
θ[
·
]函数给出了信道对信号概率检测的算法运行时间的上界和下界，q(t)的运行时间上界为[a(t)]，q(t)的运行时间上界为[b(t)]；
[0079]
s4：主控制模块计算信号和噪声的有效功率snr(q(t))；
[0080][0081]
s5：主控制模块根据s4步骤计算得到的t时刻的有效功率snr(q(t))计算在t0至ts温度范围内超过温度t(t)的信号的功率谱密度psd；
[0082]
功率谱密度psd计算公式为：
[0083][0084]
s6：采用cnn算法优化迭代功率谱密度psd；
[0085]
s7：判断其是否噪声源超噪比enr符合超噪比阈值范围，若符合，则得到最终优化后的频谱仪监测噪声源超噪比的功率谱密度；否则重复步骤s1-s6。
[0086]
步骤s3中计算于t时刻、t(t)温度下的信道对其信号的检测概率ps、漏检概率p0的方法，包括以下步骤：
[0087]
s31：将信道对其信号概率检测函数q(t)的函数值与实时监测t时刻、m个信道的于t(t)温度下的混合信号h1和阈值λ的比值比较，并将1-q(t)与比较；
[0088]
s32：采集实时监测t时刻、m个信道的于t(t)温度下的混合信号h1的固有被监测概率pr；
[0089]
s33：构建检测概率ps计算模型和漏检概率p0计算模型：
[0090]
[0091][0092]
实施例4
[0093]
本发明提供的一种噪声源超噪比的测试方法，包括以下步骤；
[0094]
s1：输入噪声源工作电压，宽带匹配电路向固态噪声发生器中的噪声二极管发出警告匹配后的电压；
[0095]
s2：频谱仪接收s1步骤发出的警告匹配后的电压，并接收放大器对噪声二极管的增益g，构建实时监测t时刻、m个信道的于t(t)温度下的混合信号h1存在下的第一信道检测函数a(t)，以及真实信号n0存在下的第二信道检测函数b(t)，t＝1,2,
…
k；第一信道监测函数下a(t)的混合信号h1为真实信号h0和高斯白噪声n0形成的混合信号，即h1＝h0 n0；
[0096]
s3：根据s2构建的第一信道监测函数a(t)和第二信道监测函数b(t)，构建信道对其信号概率检测函数q(t)，并计算于t时刻、t(t)温度下的信道对其信号的检测概率ps、漏检概率p0；
[0097]
构建的信道对其信号概率检测函数q(t)为：
[0098][0099]
θ[
·
]函数给出了信道对信号概率检测的算法运行时间的上界和下界，q(t)的运行时间上界为[a(t)]，q(t)的运行时间上界为[b(t)]；
[0100]
s4：主控制模块计算信号和噪声的有效功率snr(q(t))；
[0101][0102]
s5：主控制模块根据s4步骤计算得到的t时刻的有效功率snr(q(t))计算在t0至ts温度范围内超过温度t(t)的信号的功率谱密度psd；
[0103]
功率谱密度psd计算公式为：
[0104][0105]
s6：采用cnn算法优化迭代功率谱密度psd；
[0106]
s7：判断其是否噪声源超噪比enr符合超噪比阈值范围，噪声源超噪比enr的计算公式为：enr＝psd(dbm/hz) 174(dbm/hz)-g，g为放大器为噪声二极管所带来的增益；
[0107]
噪声源超噪比enr的超噪比阈值范围为噪声源超噪比enr符合以下条件：21.5≤enr≤24.5；
[0108]
若符合上述噪声源超噪比enr的超噪比阈值范围，则得到最终优化后的频谱仪监测噪声源超噪比的功率谱密度；否则重复步骤s1-s6。
[0109]
步骤s3中计算于t时刻、t(t)温度下的信道对其信号的检测概率ps、漏检概率p0的方法，包括以下步骤：
[0110]
s31：将信道对其信号概率检测函数q(t)的函数值与实时监测t时刻、m个信道的于t(t)温度下的混合信号h1和阈值λ的比值比较，并将1-q(t)与比较；
[0111]
s32：采集实时监测t时刻、m个信道的于t(t)温度下的混合信号h1的固有被监测概率pr；
[0112]
s33：构建检测概率ps计算模型和漏检概率p0计算模型：
[0113][0114][0115]
实施例5
[0116]
如图2所示，为本实施例提供的采用上述实施例1-4中任一个实施例提供的方法的噪声源超噪比的测试系统，系统包括外接电源、固态噪声发生器、频谱仪，固态噪声发生器包括宽带匹配电路、噪声二极管、隔直电容、衰减器，频谱仪上设置有主控制模块，在固态噪声发生器和频谱仪之间还设置有放大器。
[0117]
实施例6
[0118]
本发明还提供一种噪声源超噪比的测试装置，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现实施例1-4中任一个实施例提供的噪声源超噪比的测试方法。
[0119]
实施例7
[0120]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1-4中任一个实施例提供的噪声源超噪比的测试方法。
[0121]
测试例1
[0122]
本文根据实验条件选择直接测试法对设计的噪声源进行噪声系数测试，选取直接测试法对噪声源测试只需要一台频率达到6ghz、底噪较低的频率谱分析仪即可。本测试使用keysight n9020a频谱分析仪，带宽范围10hz-13.6ghz。
[0123]
测量前需要判断仪表的底噪是否足够低，是否能够测量到噪声源的输出噪声。同时，频谱仪的设置非常关键，例如在keysight exa型n9020a频谱分析仪的设置如下：
[0124]
(a)center freq中心频率设置为待测试噪声信号中心频率。
[0125]
(b)span扫宽设置为5khz或者更小。
[0126]
(c)rbw设置为10hz。
[0127]
(d)vbw设置为1hz。
[0128]
(e)detector检波器设置为rms。
[0129]
(f)avg平均设置打开。
[0130]
(g)marker noise功能打开。
[0131]
将制作好的噪声源和低噪声放大器接在频谱分析仪上测试，测试现场图如土3、图4所示，噪声源模块中分别串联一个400ω的贴片电阻和一个可调电阻，用于调节噪声二极管的工作电流，使用两级放大器放大噪声源输出的噪声信号。低噪声放大器使用自研的大带宽大增益的放大器a和b，设计带宽0.5ghz～18ghz，增益约25db。在测试前，采用矢量网络分析仪测试两级低噪声放大器a和b进的增益，得到增益曲线如图5、图6所示。
[0132]
测试例2
[0133]
将采用本发明实施例1提供的噪声源超噪比测试方法的频谱分析仪的带宽设为0～1.36ghz，频谱仪自身电路噪声频谱分布如图7所示，在频谱仪的整个测试谱段中呈均匀
分布。噪声源经放大后的频谱分布曲线如图8所示，在极宽的频域内均有噪声信号放大。在2ghz以内存在一个功率谱较强的包络，形成这一包络的原因有两个：一是由于安捷伦的部分频谱仪内置了一个2ghz带宽的放大器，增益约为10db；二是使用的低噪声放大器的增益在这一区域内都存在一个较为明显的突起。在后端频谱的起伏，噪声源输出噪声功率整体比较平坦，基本与放大器的增益曲线起伏相吻合。从频谱曲线可以得到，噪声源的带宽约为9.5ghz。
[0134]
测试例3
[0135]
采用本发明实施例1提供的噪声源超噪比测试方法的，对噪声源进行超噪比测试，由于测试点是离散的，为了提高测试准确性同时保证测试不能太复杂，在0.25～12ghz频率范围内按照每0.25ghz一个点进行测试。用频谱分析仪逐点测试噪声源经过两级放大后的噪声功率谱密度(psd)，如图9所示为超噪比测试设置下6ghz处的噪声功率谱密度，如图10为超噪比测试设置下噪声源噪声功率谱密度测试曲线。用测得的噪声功率谱密度psd减去两级放大器的增益g，即为噪声源输出噪声信号的功率谱密度，最后用公式计算得到噪声源输出噪声信号的超噪比，最终测试结果如图11所示。
[0136]
由测试例1-3测得本发明提供的噪声源超噪比的测试方法测试得到的噪声源的超噪比平坦度为
±
1.5db，在频率2.2ghz时输出的噪声功率最小，此时的超噪比为22.7db，达到设计要求。
[0137]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。