3.9. Измерване на шума
Параметрите на шумовия сигнал се определят от няколко статистически характеристики.
Най-простите сред тях са числените характеристики: най-често се използват математическото очакване (средна стойност на случаен сигнал) и дисперсията или средната мощност на случаен сигнал. Ако определянето на средната стойност изисква основно осредняване на стойността на шума за достатъчно дълго време, тогава определянето на втория момент допълнително изисква квадратиране на изпълнението на произволния сигнал. Дисперсията от средната мощност на случаен сигнал се различава само по това, че първият е вторият централен момент, а вторият е началният момент. Следователно веригата за измерване на първия трябва да съдържа допълнителен селектор за променливата компонента на сигнала. Методите за измерване на параметрите на случайни сигнали могат да бъдат разделени на аналогови и цифрови. Примери за аналогови измервателни уреди са: магнитоелектрически волтметър (измерване на постоянен ток) и квадратичен волтметър за дисперсионни измервания на затворен вход и измервания на средна мощност на отворен вход. В съвременната техника най-широко приложение намират статистически анализатори, които се характеризират с аналогово-цифрово преобразуване на изследваната реализация на случаен процес.
При цифровите методи се осигурява предварително времево вземане на проби, последвано от преобразуване на пробните стойности в цифров код. Последващата обработка на информацията се извършва от изчислително устройство в съответствие с въведената програма (например цифров програмируем осцилоскоп).
При анализа на вероятностното разпределение на шума се използват две основни характеристики: функция на разпределение и плътност на разпределение. Ако случайният процес е стационарен иергодичен по отношение на законите за разпределение на вероятностите, то последните се определят от една реализация на процеса. В този случай функцията на разпределение се характеризира с относителното време, през което стойностите на изпълнението остават под дадено ниво. Плътност на разпределение - относителното време, прекарано от изпълнението в даден интервал между нивата, в "диференциалния коридор".
Измерването на характеристиките на шума се извършва с ниска точност, тъй като основните източници на грешки са следните методологични грешки:
Реализацията се осреднява за ограничено време във всяка точка от характеристиката.
Реалната нестационарност на характеристиките на шума по време на измерването предизвиква промяна в параметъра.
При цифровите методи дискретизацията на сигнала води до загуба на информация.
Корелационните функции се използват широко. В общия случай корелационната функция е функция на два аргумента t1 и t2 и представлява математическото очакване на произведенията на центрираните стойности на случайните функции за тези два аргумента. В конкретен случай, за стационарни и ергодични случайни процеси, корелационната функция се определя от една реализация, като функция на един аргумент, т.е. разлика на два времеви аргумента: t1 – t2.
В изследванията често се използва нормализирана корелационна функция, която е подобна на корелационния коефициент, който определя статистическата връзка между случайни сигнали при две времена t1 и t2 в диапазона от 0 до 1.
Модулационният метод се използва в измервателните приемници за измерване на силата на слабите полета и спектралната плътност на мощността. На фигура 3.11 еталонна антена е свързана като измерван обект, приемащ сигнал или източник на шум [14]. Антенапериодично свързан чрез модулатор по време на полупериод към входа на приемника. По време на втория полупериод референтният сигнал от генератора на шум се свързва към миксера чрез градуиран атенюатор.
Информацията за разликата между нивата на мощност на измерения и референтния сигнал се съдържа в честотата на модулация след квадратичния детектор, следователно индикаторът използва метод за извличане на корелационен сигнал, за да елиминира ефекта на допълнителния шум на приемника върху резултата, което ограничава прага на чувствителност на индикатора. За целта се определя корелационната функция между сигнала U(t1) от изхода на модулационния генератор и U(t2) от изхода на квадратичния детектор.
Тъй като информацията се съдържа в разликата в нивата на сигнала при честотата на модулация U(t), синхронен детектор се използва като умножител на сигнала, а фазов превключвател (PV) се използва за времезакъснение.
При метода на нулева индикация фазовото изместване при честотата на модулация се избира според максималната индикация на индикатора. Последователно във времето на входа на индикатора постъпват еталонният и измерваният сигнали. Чрез промяна на референтния сигнал се постига минимално показание на индикатора, като референтният сигнал е равен на измерения в лентата на пропускане на междинния честотен усилвател. Чрез промяна на честотата на локалния осцилатор измерваме спектралната плътност на мощността в целия честотен диапазон на сигнала. DC усилвателят има голяма времеконстанта, което намалява влиянието на адитивния шум, тъй като за тях корелационната функция е нула.
Методът за измерване на модулацията с градуиран атенюатор и корелационният метод за извличане на сигнала (синхронен детектор) ви позволяват да получавате и измервате сигнали под нивото
M модулатор Миксер Усилвател Квадратичен Синхронен
детектор детектор
Генератор Генератор Локален осцилатор FV UPT Индикатор
модулация на шума
Ориз. 3.11. Модулационен измервателен приемник.
собствен шум на приемника с грешка от 0,1 dB при определяне на затихване до 25 dB.
">