Анализаторы фазовых шумов
Фазовый шум является одним из наиболее важных показателей качества устройства, генерирующего сигнал, и вполне может оказаться ограничивающим фактором для решения критически важных задач в аэрокосмической и оборонной областях, также как и в области связи.
Механизм появления фазового шума заключается в нестабильности частоты, которая определяется как степень, с которой генерирующий источник поддерживает постоянство частоты в течение определённого периода времени.
Есть два типа фазовых флуктуаций—детерминированные и стохастические. Детерминированные флуктуации представляют собой дискретные сигналы на определенных отстройках от несущей частоты. Эти сигналы могут быть четко соотнесены с определенными факторами применительно к данному источнику сигнала, например, частота линии питания, частота вибрации, комбинационные продукты смешения. Стохастические флуктуации имеют случайную природу, и именно их обычно называют фазовым шумом. Причиной таких флуктуаций является тепловой шум, дробовый шум и фликкер-шум в полупроводниковых элементах. Для количественной оценки фазового шума источника используется оценка девиации частоты или фазы в частотной либо временной области.
Первым шагом является измерение мощности несущей (Pc), то есть номинального выходного сигнала источника, в виде абсолютной мощности в дБм. Затем измеряется мощность шума (Pn) в полосе пропускания 1 Гц при заданном отстройке от несущей. Вычитание мощности, несущей из мощности шума, дает фазовый шум (θ(f)) в единицах дБн/Гц. Обратите внимание, что эти значения всегда будут отрицательными. Измерения фазового шума обычно включают повторение этого процесса при различных смещениях частоты от несущей.
На рисунке фазовый шум был измерен при положительном смещении частоты от несущей. Поскольку “боковые полосы”, создаваемые фазовым шумом, обычно симметричны относительно несущей, измеренный фазовый шум обычно одинаков для данного положительного или отрицательного смещения от несущей.
Методы измерения и оценки фазового шума
Существует большое количество методов измерений фазового шума. Остановимся лишь на основных методах:
1. Прямой метод (метод анализатора спектра);
2. Метод фазового детектора;
3. Метод цифрового фазового демодулятора.
Прямой метод или метод анализатора спектра
Это самый простой и, возможно, самый старый метод измерения фазового шума. Как показано на рисунке 5, сигнал от испытуемого устройства (ИУ) подаётся на анализатор спектра/сигналов, настроенный на частоту сигнала ИУ, и выполняется непосредственное измерение относительной спектральной плотности мощности сигнала в единицах L(f). Поскольку спектральная плотность шума измеряется в присутствии сигнала несущей, возможности этого метода могут существенно ограничиваться динамическим диапазоном анализатора.
Метод фазового детектора
При использовании этого метода сигнал тестируемого устройства смешивается с сигналом опорного источника. Если оба сигнала имеют одинаковую частоту, на выходе смесителя или фазового компаратора появляется постоянное напряжение, на которое накладываются фазовые шумы тестируемого устройства и опорного источника. Если сдвиг сигнала на фазовом компараторе равен 90°, можно измерить чистый фазовый шум. В этом случае подавление амплитудного шума достигает 30 дБ. При фазовом сдвиге 0° на выходе присутствует только амплитудный шум.
Снижение фазового шума за счет взаимной корреляции
Добавление в анализатор источников сигнала второй параллельный тракт приема позволяет использовать взаимную корреляцию двух симметричных трактов и, тем самым, исключать нежелательные некоррелированные собственные шумы двух опорных источников. В результате, чувствительность уже не ограничивается фазовым шумом внутренних источников опорного сигнала. В зависимости от числа усреднений, может расширять динамический диапазон на 20 дБ.
Шумы ИУ в каждом канале когерентны, и операция взаимной корреляции не влияет на их вклад в результат измерения, тогда как собственные шумы каждого канала не когерентны, и операция взаимной корреляции уменьшает их суммарный вклад в результат измерения пропорционально M1/2 (M - число корреляций).
Метод цифрового фазового демодулятора
Традиционный PLL был заменен цифровым FM-демодулятором для определения фазы и отслеживания частоты. Дополнительный AM-демодулятор позволяет одновременно измерять фазовый и амплитудный шум. Прибор может измерять фазовый шум на уровне -183 дБн/Гц при несущей частоте 100 МГц и смещении 10 кГц в течение двух минут.
Перенос фазового детектора в цифровую область значительно упрощает настройку и повышает точность измерений. Характеристики цифровых компонентов заданы заранее и могут быть скорректированы с абсолютной точностью.
