Zgomot de fază - Phase noise

Zgomot de fază măsurat de analizorul sursei de semnal (SSA). SSA arată partea pozitivă a zgomotului de fază. În această imagine există un zgomot de fază al purtătorului principal, alte 3 semnale și "noise hill".

Un semnal slab dispare în zgomotul de fază al semnalului mai puternic

În procesarea semnalului , zgomotul de fază este reprezentarea în domeniu de frecvență a fluctuațiilor aleatorii în faza unei forme de undă , corespunzătoare abaterilor domeniului timp de la periodicitatea perfectă (" jitter "). În general, inginerii de radiofrecvență vorbesc despre zgomotul de fază al unui oscilator , în timp ce inginerii de sisteme digitale lucrează cu jitterul unui ceas.

Definiții

Din punct de vedere istoric, au existat două definiții conflictuale, dar utilizate pe scară largă pentru zgomotul de fază. Unii autori definesc zgomotul de fază ca fiind densitatea spectrală a fazei unui semnal, în timp ce cealaltă definiție se referă la spectrul de fază (care se împerechează cu spectrul de amplitudine, vezi densitatea spectrală # Concepte conexe ) rezultat din estimarea spectrală a semnalului în sine . Ambele definiții produc același rezultat la frecvențe offset bine îndepărtate de purtător. Cu toate acestea, la compensările de închidere, cele două definiții diferă.

IEEE definește zgomot de fază ca $ℒ (f) = S φ (f) / 2$ unde "instabilitatea fazei" $S φ (f)$ este o singură față-densitate spectrală a deviației de fază a semnalului. Deși $S φ (f)$ este o funcție unilaterală, reprezintă „densitatea spectrală a benzii duble laterale a fluctuației de fază”. Simbolul $ℒ$ se numește (capital sau majuscule) script - L .

fundal

Un oscilator ideal ar genera o undă sinusoidală pură . În domeniul frecvenței, aceasta ar fi reprezentată ca o singură pereche de funcții delta Dirac (conjugate pozitive și negative) la frecvența oscilatorului; adică, toate semnalul de putere este la o singură frecvență. Toate oscilatoarele reale au componente de zgomot modulate în fază . Componentele de zgomot de fază răspândesc puterea unui semnal la frecvențele adiacente, rezultând benzi laterale de zgomot . Zgomotul de fază al oscilatorului include adesea zgomot de pâlpâire de joasă frecvență și poate include zgomot alb .

Luați în considerare următorul semnal fără zgomot:

v (t) = A cos (2π f 0 t)

.

La acest semnal se adaugă zgomot de fază prin adăugarea unui proces stocastic reprezentat de φ la semnal, după cum urmează:

v (t) = A cos (2π f 0 t + φ (t))

.

Zgomotul de fază este un tip de zgomot ciclostationar și este strâns legat de jitter , un tip deosebit de important de zgomot de fază este cel produs de oscilatoare .

Zgomotul de fază ( $ℒ (f)$ ) este de obicei exprimat în unități de dBc / Hz și reprezintă puterea de zgomot relativă la purtător conținută într-o lățime de bandă de 1 Hz centrată la o anumită compensare de la purtător. De exemplu, un anumit semnal poate avea un zgomot de fază de -80 dBc / Hz la un offset de 10 kHz și -95 dBc / Hz la un offset de 100 kHz. Zgomotul de fază poate fi măsurat și exprimat ca valori cu bandă laterală simplă sau bandă laterală dublă, dar după cum sa menționat anterior, IEEE a adoptat definiția ca jumătate din PSD cu bandă laterală dublă.

Conversii Jitter

Zgomotul de fază este uneori de asemenea măsurat și exprimat ca o putere obținută prin integrarea $ℒ (f)$ într-un anumit interval de frecvențe offset. De exemplu, zgomotul de fază poate fi de -40 dBc integrat în intervalul de la 1 kHz la 100 kHz. Acest zgomot de fază integrat (exprimat în grade) poate fi convertit în jitter (exprimat în secunde) folosind următoarea formulă:

{\ displaystyle {\ text {jitter (seconds}}) = {\ frac {{\ text {phase error (}} {} ^ {\ circ} {\ text {)}}} {360 ^ {\ circ} \ ori {\ text {frecvență (hertz)}}}}}

În absența zgomotului 1 / f într-o regiune în care zgomotul de fază afișează o pantă de –20 dBc / deceniu ( ecuația Leeson ), jitterul ciclului RMS poate fi legat de zgomotul de fază prin:

{\ displaystyle \ sigma _ {c} ^ {2} = {\ frac {f ^ {2} {\ mathcal {L}} \ left (f \ right)} {f _ {\ text {osc}} ^ {3 }}}}

De asemenea:

{\ displaystyle {\ mathcal {L}} \ left (f \ right) = {\ frac {f _ {\ text {osc}} ^ {3} \ sigma _ {c} ^ {2}} {f ^ {2 }}}}

Măsurare

Zgomotul de fază poate fi măsurat utilizând un analizor de spectru dacă zgomotul de fază al dispozitivului supus testului (DUT) este mare în raport cu oscilatorul local al analizorului de spectru . Trebuie avut grijă ca valorile observate să fie datorate semnalului măsurat și nu factorului de formă al filtrelor analizorului de spectru. Măsurarea bazată pe analizorul de spectru poate arăta puterea zgomotului de fază pe mai multe decenii de frecvență; de exemplu, 1 Hz la 10 MHz. Panta cu frecvență de deplasare în diferite regiuni de frecvență de deplasare poate oferi indicii cu privire la sursa zgomotului; de exemplu, zgomotul pâlpâirii de joasă frecvență scade la 30 dB pe deceniu (= 9 dB pe octavă).

Sistemele de măsurare a zgomotului de fază sunt alternative la analizorii de spectru. Aceste sisteme pot utiliza referințe interne și externe și permit măsurarea zgomotului rezidual (aditiv) și absolut. În plus, aceste sisteme pot efectua măsurători cu zgomot redus, aproape de purtător.

Puritate spectrală

Ieșirea cu undă sinusoidală a unui oscilator ideal este o singură linie din spectrul de frecvențe. O astfel de puritate spectrală perfectă nu se poate realiza într-un oscilator practic. Răspândirea liniei de spectru cauzată de zgomotul de fază trebuie redusă la minimum în oscilatorul local pentru un receptor superheterodin, deoarece învinge scopul restricționării gamei de frecvență a receptorului prin filtre în amplificatorul IF (frecvență intermediară).

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

Rubiola, Enrico (2008), Stadiul de zgomot și frecvență în oscilatoare , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-88677-2
Wolaver, Dan H. (1991), Phase-Locked Loop Circuit Design , Prentice Hall, ISBN 978-0-13-662743-2
Lax, M. (august 1967), "Zgomot clasic. V. Noise în oscilatoare autosusținute", Physical Review , 160 (2): 290–307, Bibcode : 1967PhRv..160..290L , doi : 10.1103 / PhysRev .160.290
Hajimiri, A .; Lee, TH (februarie 1998), „O teorie generală a zgomotului de fază în oscilatoarele electrice” (PDF) , IEEE Journal of Solid-State Circuits , 33 (2): 179–194, Bibcode : 1998IJSSC..33..179H , doi : 10.1109 / 4.658619 , arhivat din original (PDF) în data de 03.05.2015 , extras 2021-09-16
Pulikkoonattu, R. (12 iunie 2007), Oscillator Phase Noise and Sampling Clock Jitter (PDF) , Tech Note, Bangalore, India: ST Microelectronics , recuperat 29 martie 2012
Chorti, A .; Brookes, M. (septembrie 2006), „Un model spectral pentru oscilatoare RF cu zgomot de fază de putere” (PDF) , IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers , 53 (9): 1989–1999, doi : 10.1109 /TCSI.2006.881182 , hdl : 10044/1/676 , S2CID 8855005
Rohde, Ulrich L .; Poddar, Ajay K .; Böck, Georg (mai 2005), The Design of Modern Microwave Oscillators for Wireless Applications , New York, NY: John Wiley & Sons, ISBN 978-0-471-72342-4
Ulrich L. Rohde, O metodă nouă și eficientă de proiectare a oscilatoarelor cu microunde cu zgomot redus, https://depositonce.tu-berlin.de/bitstream/11303/1306/1/Dokument_16.pdf
Ajay Poddar, Ulrich Rohde, Anisha Apte, „Cât de scăzut pot merge, model de zgomot de fază oscilator, validare teoretică, experimentală și măsurători de zgomot de fază”, IEEE Microwave Magazine, Vol. 14, nr. 6, pp. 50-72, septembrie / octombrie 2013.
Ulrich Rohde, Ajay Poddar, Anisha Apte, „Getting Its Measure”, Revista IEEE Microwave, Vol. 14, nr. 6, pp. 73-86, septembrie / octombrie 2013
UL Rohde, AK Poddar, Anisha Apte, „Fază de măsurare a zgomotului și limitările sale”, Microwave Journal , pp. 22–46, mai 2013
AK Poddar, UL Rohde, „Technique to Minimize Phase Noise of Crystal Oscillators”, Microwave Journal , pp. 132–150, mai 2013.
AK Poddar, UL Rohde și E. Rubiola, „Fază de măsurare a zgomotului: provocări și incertitudine”, 2014 IEEE IMaRC, Bangalore, decembrie 2014.

Languages

In other projects