3.9. Вимірювання характеристик шуму
Параметри шумового сигналу визначаються кількома статистичними характеристиками.
Найпростішими серед них є чисельні характеристики: найчастіше застосовуються математичне очікування (середнє значення випадкового сигналу) і дисперсія або середня потужність випадкового сигналу. Якщо визначення середнього значення потрібно переважно усереднення значення шуму протягом досить багато часу, то визначення другого моменту додатково потрібно ще зведення квадрат реалізації випадкового сигналу. Дисперсія від середньої потужності випадкового сигналу відрізняються тим, що перша є другим центральним моментом, а друга – початковим моментом. Тому схема для виміру першої повинна містити додатковий селектор змінної складової сигналу. Методи вимірювання параметрів випадкових сигналів можна розділити на аналогові та цифрові. Прикладом аналогових вимірювачів можуть бути: магнітоелектричний вольтметр (вимір постійної складової) і вольтметр з квадратичним детектором для вимірювання дисперсії із закритим входом і для вимірювання середньої потужності з відкритим входом. У сучасній техніці найбільш широко застосовуються статистичні аналізатори, для яких характерно аналого-цифрове перетворення досліджуваної реалізації випадкового процесу.
При цифрових методах передбачається попередня часова дискретизація з подальшим перетворенням значень вибірки цифровий код. Наступна обробка інформації проводиться обчислювальним пристроєм відповідно до введеної програми (наприклад, цифровий програмований осцилограф).
При аналізі розподілу ймовірностей шуму використовують дві основні характеристики: функцію розподілу та щільність розподілу. Якщо випадковий процес стаціонарний таЕргодичний по відношенню до законів розподілу ймовірностей, останні визначаються по одній реалізації процесу. При цьому функція розподілу характеризується відносним часом перебування значень реалізації нижче заданого рівня. Щільність розподілу – відносним часом перебування в заданому інтервалі між рівнями, в «диференціальному коридорі».
Вимірювання характеристик шуму проводиться з невисокою точністю так як основними джерелами похибки є такі методичні похибки:
Усереднення реалізації проводиться обмежений час у кожній точці показника.
Реальна нестаціонарність характеристик шуму під час вимірювання викликає зміну параметра.
При цифрових методах дискретизація сигналу призводить до втрат інформації.
Широке застосування знаходять кореляційні функції. У випадку кореляційна функція є функцією двох аргументів t1 і t2 і є математичне очікування творів центрованих значень випадкових функцій цих двох аргументів. У окремому випадку, для стаціонарних і ергодичних випадкових процесів, кореляційна функція визначається за одним реалізації, як функція одного аргументу, тобто. різниці двох тимчасових аргументів: t1 – t2.
У дослідженнях часто використовують нормовану функцію кореляції, яка аналогічна коефіцієнту кореляції, що визначає статистичну зв'язок між випадковими сигналами в два моменти t1 і t2 в діапазоні від 0 до 1.
Модуляційний метод застосований у вимірювальних приймачах для вимірювання напруженості слабких полів та спектральної щільності потужності. На рис 3.11 як об'єкт, що вимірювається, підключається еталонна антена, що приймає сигнал або джерело шуму [14]. Антенаперіодично підключається модулятор протягом півперіоду до входу приймача. Протягом другого напівперіоду до змішувача підключається еталонний сигнал від шуму генератора через градуйований атенюатор.
Інформація про різницю рівнів потужності вимірюваного та еталонного сигналу міститься на частоті модуляції після квадратичного детектора, тому в індикаторі застосований кореляційний метод виділення сигналу, що дозволяє усунути вплив на результат адитивних шумів приймача, які обмежують поріг чутливості індикатора. Для цього визначається кореляційна функція між сигналом U(t1) із виходу генератора модуляції та U(t2) з виходу квадратичного детектора.
Оскільки інформація міститься в різниці рівнів сигналів на частоті модуляції U(t), то як перемножувач сигналів використовується синхронний детектор, а для тимчасової затримки застосовується фазообертач (ФВ) .
При нульовому методі індикації зсув фази на частоті модуляції вибирається за максимальним показанням індикатора. Послідовно у часі на вхід індикатора надходять еталонний та вимірювані сигнали. Змінюючи еталонний сигнал, досягають мінімального показання індикатора, при цьому еталонний сигнал дорівнює вимірюваному в смузі пропускання підсилювача проміжної частоти . Змінюючи частоту гетеродина вимірюємо спектральну щільність потужності у всьому частотному діапазоні сигналу. Підсилювач постійного струму має велику постійну часу, що знижує вплив адитивних шумів, тому що для них кореляційна функція дорівнює нулю.
Модуляційний метод вимірювань за допомогою градуйованого атенюатора та кореляційний метод виділення сигналу (синхронний детектор) дозволяють приймати та вимірювати сигнали нижче рівня
М одулятор Змішувач Підсилювач Квадратичний Синхронний
детектор детектор
Генератор Генератор Гетеродін ФВ УПТ Індикатор
шуму модуляції
Мал. 3.11. Модуляційний вимірювальний приймач.
власних шумів приймача з похибкою 0.1 дБ щодо загасання до 25 дБ.
">