CNAS-GL38-2016 无线电领域测量不确定度评估指南与实例.pdf

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1、 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 CNAS-GL38 无线电领域测量不确定度评估指南及实例 Guidance and Illustration on Evaluating the Uncertainty in Radio Field 中国合格评定国家认可委员会 CNAS-GL38:2016 第 1 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 前 言 本指南旨在为无线电校准和检测实验室进行不确定度评估提供指导。 本文件 是 CNAS 实验室的指南性文件，只对无线电校准和检测实验室在实施认可准则

2、时提供指引，并不增加对 CNASCL01:2006实验室能力认可准则的要求。 文件编号为 CNAS-GL38:2016。 与 GL-07 的关系 本文件的编制得到了国家无线电监测中心检测中心、中国计量科学研究院 、工信部 通信计量中心 和席德熊研究员 的大力协助，在此表示感谢。 CNAS-GL38:2016 第 2 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 目 录 1 目的与范围 . 4 1.1 目的 . 4 1.2 适用范围 . 4 2 引用文件 . 4 3 术语、定义和符号 . 4 3.1 术语和定义 . 4 3.2 符 号 . 5

3、 4 无线电校准参数不确定度评估实例 . 5 4.1 功率校准 . 5 4.2 衰减校准 . 13 4.3 插入损耗校准 . 19 4.4 脉冲波形参数校准 . 21 4.5 （ 1-18） GHz 电场探头校准 . 33 4.6 射频电压校准 . 45 4.7 电阻率校准 . 51 4.8 高频阻抗校准 . 52 4.9 频率校准 . 53 4.10 射频电流校准 . 54 4.11 天线系数校准 . 57 4.12 电压驻波比校准 . 65 5 无线电检测参数不确定度评估实例 . 67 5.1 峰值功率测量 . 67 5.2 功率谱密度测量 . 72 5.3 邻道功率测量 . 75 5.4

4、 占用带宽 /带外发射 /频率范围测量 . 77 5.5 传导杂散发射测量 . 79 5.6 互调发射测 量 . 84 5.7 频率误差测量 . 90 5.8 频率偏移测量 . 92 5.9 相位误差测量 . 94 5.10 音频失真测 量 . 95 5.11 脉冲宽度测量 . 97 CNAS-GL38:2016 第 3 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 5.12 重复频率测量 . 98 5.13 上升 /下降沿时间测量 . 100 5.14 接收机灵敏度测量 . 101 5.15 比特消息流测量 . 103 6 不确定度评估和

5、不确定度报告中存在的问题 . 106 6.1 误差和测量不确定度区别理解存在的问题 . 106 6.2 有关数学模型存在的问题 . 107 6.3 有关标准不确定度 A类评估存在的问题 . 108 6.4 有关 B类评估存在的问题 . 109 6.5 有关合成标准不确定度存在的问题 . 110 6.6 有关扩展不确定度表示存在的问题 . 111 6.7 CNAS-CL01 中 5.4.6.2注 2条款的理解 . 112 附录 A（资料性附录） 无线电领域相关计算公式 . 114 附录 B（资料性附录） 无线电领域相关单位转换关系 . 115 附录 C（资料性附录） 误码率与信噪比依赖关系 .

6、116 附录 D（资料性附录） 参考文献 . 117 CNAS-GL38:2016 第 4 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 无线电领域测量不确定度评估指南与实例 1 目的与范围 1.1 目的 本文件是为无线电领域校准和检测实验室提供测量不确定度的评估指南和实例。 1.2 适用范围 本指南描述了无线电领域校准和检测中测量不确定度评估的术语、定义和缩略语， 12 个无线电校准参数的不确定度评估实例， 15 个无线电检测参数的不确定度评估实例以及不确定度评估和不确定度报告中存在的问题。 与 GL-07 的关系 本指南适用于无线电领域

7、校准和检测实验室校准和检测中测量不确定度的评估。 2 引用文件 下列文件中的条款通过引用而成为本文件的条款。本文件中的引用不注明日期，提请各相关方注意引用以下文件的最新版本 （包括这些文件的修订案）。 JJF 1001 中华人民共和国国家计量技术规范通用计量术语及定义 JJF 1059 中华人民共和国国家计量技术规范测量不确定度评定与表示 CNAS-GL05 中国合格评定国家认可委员会测量不确定度要求的实施指 南 3 术语、定义和符号 3.1 术语和定义 关于不确定度的术语和定义见 JJF 1059测量不确定度评定与表示，计量学通用名词术语和定义见 JJF 1001通用计量术语及定义 CNAS

8、-GL38:2016 第 5 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 3.2 符号 为了表征简洁清晰，以下缩略语 将在本文中加括号使用。 - c：基于已知和测量数据计算得到 - d：从测量设备资料中得到 - m：测量 - r：均匀分布 - u： U 形分布 - p：功率电平值 - v：电压电平值 - ：标准偏差 4 无线电校准参数不确定度评估实例 4.1 功率校准 4.1.1 测量原理 本测量不确定度分析的频率范围是 50MHz 6GHz，功率范围是 0dBm-120dBm。 根据射频信号发生器校准规范（ JJF）中的测量方法，在功率

9、标称值大于等于 -45dBm 时，使用功率传感器校准射频信号发 生器的输出功率；在功率标称值小于 -45dBm 时，首先在标称值大于等于 -45dBm 的某个功率点分别使用功率传感器和频谱分析仪进行校准，然后调整频谱仪的读数偏置，使频谱仪与功率传感器读数相等，然后在此基础上，利用频谱仪较好的线性度，校准标称值低于 -45dBm的功率值。 测试用设备的主要技术指标如下所示： （ 1）功率计 NRVD+NRV-Z5 频率范围： 50MHz 6GHz 功率范围： -50dBm 0dBm 校准因子不确定度： U=2% （ k=2）（ 50MHz 6GHz） 线性度： 0.03dB（ -50dBm 0d

10、Bm） （ 2）频谱分析仪 E4440A 线性度： 0.13dB 4.1.2 数学模型 CNAS-GL38:2016 第 6 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 基于测量原理，首先考虑的是使用功率传感器校准射频信号发生器的输出功率的不确定度。其数学模型如下（ 4-1）式所示： 2211usussPP (4-1) 其中 uP 是指信号源输出功率，即为被校准参量。而 sP 为测量中功率传感器吸收的功率， u 是信号发生器输出端口的反射系数， s 是功率传感器的反射系数。如下图 4-1所示： 射 频 信 号 发 生 器功 率 传 感 器

11、uP sPu s频 谱 分 析 仪图 4-1射频功率校准示意图 在一般的测量场景下， s 远小于 1，则进行泰勒级数展开且忽略高阶小量，（ 4-1）式就可以近似为： 21 susu PP （ 4-2） 以对数形式表示为： dBd B mPd B mP susu 21lg10 （ 4-3） 将（ 4-3）写成自然对数的形式有： 2 0 l n 1l n 1 0 ususP d B m P d B m d B （ 4-4） （ 4-4）式中存在失配误差项 M： 2 0 ln 1ln 1 0 usM （ 4-5） CNAS-GL38:2016 第 7 页 共 117 页 2016 年 03 月 31

12、 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 在不确定度分析中一般认为 M 是反正弦分布。考虑反射系数的模值，由于1us ，则将（ 5）式中自然对数项进行泰勒展开有 ln 1 u s u s ，且有 20 8.68ln10 ，即： 8 .6 8 usM d B （ 4-6） 考虑到功率测量线性度引入的误差 L，则信号发生器的输出功率可由如下公式得到： usP d B m P d B m L M d B （ 4-7） 在低于 -45dBm的功率点使用频谱仪测量时，是利用频谱仪的线性度，代替功率计进行低量程的测量，但测量过程是一致的，可使用一致的数学模型进行分析。 4.1.3 影响量不确定度

13、分量的评估和计算 4.1.3.1 不确定度来源 分析 根据校准规范中的测量方法，在使用频谱分析仪校准时，在使用相同的量程，相同的测量参数设置条件下， 频谱分析仪的量程误差，衰减器误差等因素带来的误差可以消除。因此不确定度来源如下： （ 1）功率计参考电平测量不确定度分量引入的不确定度 u1； （ 2）功率计校准过程中的连接及读数重复性引入的不确定度 u2； （ 3）功率计校准过程中由系统失配引入的不确定度 u3； （ 4）功率计的功率测量线性度引入的不确定度 u4； （ 5）频谱分析仪的功率测量线性度引 入的不确定度 u5； （ 6）频谱分析仪在校准过程中的连接及读数重复性引入的不确定度 u6

14、。 （ 7）功率传感器计量特性随温度 漂移引入的不确定度 u8。 4.1.3.2 不确定度分析 （ 1）功率计参考电平测量不确定度分量引入的不确定度 u1 标准功率计在功率参考点上测量结果的不确定度由上一级功率计和功率传感器的校准证书得到： U=2% （ k=2），转化为 dB单位即 U 0.086dB （ k=2） 标准不确定度 u1=0.086dB/2=0.043dB （ 2）功率计校准过程中的连接及读数重复性引入的不确定度 u2 在被校射频信号发生器输出频率 935.2MHz，功率为 -10dBm 处，使用功率计对射频信号发生器输出重复测量 10 次，每次均重新连接后测量。测量结果如下表

15、 4-1所示： CNAS-GL38:2016 第 8 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 表 4-1 测量过程中的功率计连接及读数重复性 测量次数 功率计实测值 (dBm) 1 -10.12 2 -10.13 3 -10.10 4 -10.15 5 -10.12 6 -10.07 7 -10.12 8 -10.11 9 -10.11 10 -10.13 则单次测量结果的试验标准差 s =21()1niixxn 0.02dB 标准不确定度使用试验标准差表示，则 u2= s =0.02dB （ 3）功率计校准过程中由系统失配引入的不确

16、定度 u3 由公式（ 4-6）可得失配引入的最大误差 m a x 8 .6 8 m a x suM 对功率计输入端口和射频信号发生器输出端口的驻波比进行测量，得到： 功率探头输入端口电压驻波比 1.2 ，即 |s |0.091 射频信号发生器输出端电压驻波比 1.3 ，即 | u |0.125 则最大失配误差 Mmax=a3=8.680.0910. 125=0.099dB，测量值落在该区间内的概率分布为反正弦分布， k3= 2 标准不确定度 u3=a3/k30.07dB （ 4）功率计的功率测量线性度引入的不确定度 u4 根据功率计和功率探头的指标说明书，测量线性度最大允许误差：a4=0.03

17、dB，即设测量值落在该区间内的概率分布为均匀分布， k4= 3 ，标准不确定度分量： u4=a4/ 3 0.0173dB 。 （ 5）频谱分 析仪幅度线性引入的标准不确定度分量 u5 根据频谱分析仪的指标说明书，其幅度线性准确度为 0.13dB ，设测量值落在该区间内的概率分布为均匀分布， k5= 3 ， 标准不确定度 u5=a5/ 3 0.075dB CNAS-GL38:2016 第 9 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 （ 6）频谱分析仪在校准过程中的连接及读数重复性引入的不确定度 u6 功率测量范围为 -45dBm -11

18、0dBm时： 在射频信号发生器输出频率 935.2MHz，功率为 -80dBm 和 -100dBm 处，使用频谱分析仪对射频信号发生器重复测量 10 次，每次均重新连接后测量。测量结果如下表 4-2和表 4-3所示： 表 4-2频谱仪测量读数重复性（射频信号发生器示值为 -80dBm） 测量次数 频谱分析仪实测值 (dBm) 1 -80.17 2 -80.13 3 -80.10 4 -80.15 5 -80.12 6 -80.05 7 -80.12 8 -80.16 9 -80.13 10 -80.13 对于表 4-2测量数据，则单次测量结果试验标准差 s =21()1niixxn 0.033

19、dB 表 4-3 频谱仪测量读数重复性（射频信号发生器示值为 -100dBm） 测量次数 频谱分析仪实测值 (dBm) 1 -99.84 2 -99.96 3 -99.86 4 -99.87 5 -99.95 6 -99.88 7 -99.94 8 -99.97 9 -99.89 10 -99.93 CNAS-GL38:2016 第 10 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 对于表 4-3测量数据，单次测量结果试验标准差 s=21()1niixxn 0.05dB ，则标准不确定度使用试验标准差表示，取 u6= s =0.05dB。

20、 通过实验分析功率测量范围为 -110dBm -120dBm 时的情况，每次均重新连接后测量。实验数据如表 4-4所示。 表 4-4 频谱仪测量读数重复性（射频信号发生器示值为 -120dBm） 测量次数 频谱分析仪实测值 (dBm) 1 -119.82 2 -119.93 3 -119.86 4 -120.11 5 -119.86 6 -120.01 7 -120.10 8 -119.88 9 -119.77 10 -119.80 对于表 4-4 测 量 数 据 ， 则 单 次 测 量 结 果 试 验 标 准 差 s =21()1niixxn 0.12dB ，则标准不确定度使用试验标准差表示

21、，则 u6= s =0.12dB。 （ 7）功率传感器计量特性随温度漂移引入的不确定度 u7。 根据功率传感器参数手册，在校准温度变化范围 5 时，其功率测量准确度为 0.04 dB ，则取温度漂移误差 a7=0.04 dB，相应不确定度分量呈均匀分布，k7= 3 ，则标准不确定度分量为 u7= a7/ k7=0.023dB。 以下对各个不确定度分量对应 的灵敏度系数进行分析。依据公式所示数学模型，不确定度分量 u1、 u2、 u4、 u5、 u6、 u7 均对应（ 7）式中的 dBmsP ，其灵敏度系数为 1。在分析 u3时已经将系数 8.68考虑进去，无须重复考虑。 4.1.3.3 相关性

22、 CNAS-GL38:2016 第 11 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 通过分析功率计参考电平测量不确定度分量引入的不确定度、功率计校准过程中的连接及读数重复性引入的不确定度、功率传感器计量特性随温度 漂移 等 引入的不确定度 等 7个分量的相关性，可以认为它们相互独立。 4.1.3.4 不确定度合成 （ 1）不确定度分量综合表 表 4-5 测量范围： -45dBm和 -45dBm 以上，不确定度分量综合表 序号 不确定度分量 不确定度来源 类型 测量误差或准确度 分布类型 包含因子 标准不确定度 1 功率计参考电平 测量

23、B 0.086dB / 2 0.043dB 2 功率计校准过程中的连接及读数重复性 A / / / 0.02dB 3 功率计校准过程 中系统失配 B 0.099dB 反正弦 2 0.07dB 4 功率计的功率测 量线性度 B 0.03dB 均匀 3 0.0173dB 5 功率传感器计量特性随温度 漂移引入的不确定度 B 0.04dB 均匀 3 0.023dB 表 4-6 测量范围： -45dBm -110dBm，不确定度分量综合表 序号 不确定度分量 不确定度来源 类型 测量误差或准确度 分布类型 包含因子 标准不确定度 1 功率计参考电平 测量 B 0.086dB / 2 0.043dB 2

24、 功率计校准过程中的连接及读数重复性 A / / / 0.02dB 3 功率计校准过程 中系统 失配 B 0.099dB 反正弦 2 0.07dB CNAS-GL38:2016 第 12 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 4 功率计的功率测 量线性度 B 0.03dB 均匀 3 0.0173dB 5 频谱分析仪的功 率测量线性度 B 0.13dB 均匀 3 0.075dB 6 频谱分析仪在校准过程中的连接及读数重复性 A / / / 0.05dB 7 功率传感器计量特性随温度 漂移引入的不确定度 B 0.04dB 均匀 3 0.

25、023dB 表 4-7 测量范围： -110dBm -120dBm，不确定度分量综合表 序号 不确定度分量 不确定度来源 类型 测量误差或准确度 分布类型 包含因子 标准不确定度 1 功率计参考电平 测量 B 0.086dB / 2 0.043dB 2 功率计校准过程中的连接及读数重复性 A / / / 0.02dB 3 功率计校准过程 中系统失配 B 0.099dB 反正弦 2 0.07dB 4 功率计的功率测 量线性度 B 0.03dB 均匀 3 0.0173dB 5 频谱分析仪的功 率测量线性度 B 0.13dB 均匀 3 0.075dB 6 频谱分析仪在校准过程中的连接及读数重复性 A

26、 / / / 0.12dB 7 功率传感器计量特性随温度 漂移引入的不确定度 B 0.04dB 均匀 3 0.023dB （ 2）合成标准不确定度 CNAS-GL38:2016 第 13 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 测量范围为 -45dBm 和 -45dBm 以上时，合成标准不确定度uC1= 5 21 ii u0. 089dB 测量范围为 -45dBm -110dBm时，合成标准不确定度 uC2= 7 21 ii u0.1 27dB 测量范围为 -110dBm -120dBm时，合成标准不确定度 uC3= 7 21 ii

27、u0. 167dB （ 3）扩展不确定度 取扩展因子 k=2，扩展不确定度 U为： 测量范围为 -45dBm 和 -45dBm以上时， U=k uC1=2 0.103 0.18dB 测 量范围为 -45dBm -110dBm时， U= k uC2=2 0.137 0.26dB 测量范围为 -110dBm -120dBm时， U= k uC3=2 0.299 0.34dB 4.2 衰减校准 4.2.1 测量原理 根据 JJG387-2005同轴电阻式衰减器检定规程建立的 10kHz18GHz衰减标准，采用低中频串联替代法以感应分压器作为标准，示意图如图 4-2所示： 用一套衰减测量标准校准同轴衰

28、减器。测量方法是在匹配源和匹配负载之间测定衰减量，测量过程中被校准的衰减器在 0dB和待测档之间切换， 在校准过程中要测量的就是该衰减的变化量。 图 4-2 10kHz18GHz衰减标准系统示意图 本不确定度分析的频率范围是 10kHz18GHz， 衰减范围是 0dB100dB。 测试用设备指标 （ 1）衰减标准装置。 频率范围： 10kHz18GHz 量程范围： 0dB100dB CNAS-GL38:2016 第 14 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 不确定度 (k=2) 0.003+0.0003A dB (0dB80dB)

29、， 0.072dB(90dB) ， 0.143dB(100dB) （ 2）信号源和本振源 幅度稳定 度： 0.001dB/min 信号源 最大 输出电平： 10dBm 频率准确度： 10 -5 频率稳定度： 10 -6 （ 3） 10dB固定 衰减器 频率范围： 10kHz18GHz 电压驻波比： 1. 05 4.2.2 数学模型 RM I SLsX AAA （ 4-8） 式中： AX是衰减标准装置的测量值； As是衰减标准装置的测量不确定度引入的影响； L是测量通道的泄漏引入的影响； MIS是 系统 失配引入的影响； R是被测衰减器的测量重复性。 4.2.3 影响量不确定度分量的评估和计算

30、4.2.3.1 不确定度来源 由数学模型分析得到不确定度来源如下： （ 1）衰减标准装置的测量不确定度引入的不确定度 u1； （ 2）测量通道的泄漏引入的不确定度 u2； （ 3）系统失配引入的不确定度 u3； （ 4）被测衰减器的测量重复性误差引入的不确定度 u4； 4.2.3.2 不确定度分析 （ 1）衰减标准装置的测量不确定度引入的不确定度 u1 衰减标准装置的扩展不确定度由上级证书得到： 0.003+0.0003A dB (0dB80dB), 0.072dB(90dB) , 0.143dB(100dB) (k1=2)，则其标准不确定度u1为 u1 = U(A s)/k1= U(A s)

31、/2= 100dB0 .0 7 1 5 d B90dB0 .0 3 6 d B80dB0dBA ) d B00015.00015.0( CNAS-GL38:2016 第 15 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 （ 2）测量通道的泄漏引入的不确定度 u2 泄露是指信号没有经过测量通道而是经过泄漏通道进入了接收机，设泄漏 通道的衰减量为 AL，测量通道的衰减量为 A，则最大泄漏误差 公式 为： 20/)(10686.8 LAAL (dB) (4-9) 泄漏误差与接头、电缆及被测衰减器的质量有直接的关系，不同质量的器件引入的泄漏误差差

32、别很大，在不同频率，差别也较大。当使用质量好的接头、电缆、并且用铜箔包裹接头时，泄露 AL约为 160dB180 dB，取 AL为 160dB，该项误差服从均匀分布，标准不确定度 u2如下表 4-8所示 。 表 4-8 测量通道的泄漏误差引入的不确定度 u2 标称值（ dB） L（ dB） k2 u2（ dB） 10 2.75E-07 3 1.59E-07 20 8.69E-07 3 5.02E-07 30 2.75E-06 3 1.59E-06 40 8.69E-06 3 5.02E-06 50 2.75E-05 3 1.59E-05 60 8.69E-05 3 5.02E-05 70 2.

33、75E-04 3 1.59E-04 80 8.69E-04 3 5.02E-04 90 2.75E-03 3 1.59E-03 100 8.69E-03 3 5.02E-03 （ 3）失配误差引入的不确定度 u3 在被校准衰减器接入点的源和负载的反射系数经阻抗匹配，其模值已调整到尽可能小。源和负载的反射系数模值以及被校准衰减器的散射系数模值均已测得，但它们的相位是未知的。没有任何相位的信息，就不可能给出失配误差的修正值，但在信息不完全的情况下可用下式估计出失配引入的误差为 ： 2/14214212222222222112112 )()()(686.8 ebLGebLebGM I S sssss

34、s 失配引入的误差服从反正弦分布，则标准不确定度可用下式表示： CNAS-GL38:2016 第 16 页 共 117 页 2016 年 03 月 31 日 发布 2016 年 03 月 31 日 实施 2/142142122222222221121123 )()()(2686.8 ebLGebLebG ssssssu (4-10) 式中， s11b, s21b 和 s22b 为衰 减器在参考位置（ 0 dB）的 S 参数， s11b=0.048， s21b=0.95， s22b=0.01； s11e, s21e 和 s22e为衰减器在测量位置的 S参数， s11e=0.048， s21e=0.031， s22e=0.01； G 和 L 为源端和负载端的反射系数，分别为 G=0.024 ， L=0.024。 将上面的值代入 (4-10)， 2/144222223 )031.095.0(024.001.001.0048.0048.02 024.0686.8 u =0.011dB （ 4）被测衰减器的测量重复性引入的不确定度 u4 衰减器的重复性不确定度与衰减器的质量以及测