Казанский Национальный Исследовательский Технический Университет
им. А.Н. Туполева
Институт Радиоэлектроники и Телекоммуникаций
Кафедра "Нанотехнологии в электронике"
Руководство к лабораторной работе
" Измерение фазового шума с помощью анализатора спектра REAL-Time"
по дисциплине "Радиоизмерения"
Составил: ст. гр. 5307 Крючатов С.В.
ст. гр. 5307 Прозоров Д.М.
Казань 2014
Цель работы
Измерение фазового шума генератора сигналов при частотной отстройке от несущей на 10 кГц.
Краткие теоретические сведения
В спектральном анализе измерения параметров шума играют важную роль. Шумы оказывают значительное влияние, например, на чувствительность систем радиосвязи и их компоненты.
Мощность шума определяется либо как полная мощность шума в канале передачи, либо как мощность шума, отнесенная к полосе частот 1 Гц. Источниками шума при этом являются, например, шумы усилителя или шумы, создаваемые гетеродинами, используемыми для частотных преобразований полезных сигналов в приемных или передающих устройствах. Шум на выходе усилителя определяется коэффициентом шума и коэффициентом усиления.
Шум гетеродина характеризуется в основном фазовым шумом вблизи частоты гетеродина и тепловым шумом активных элементов вдали от частоты гетеродина. Фазовый шум может скрывать слабый полезный сигнал вблизи частоты гетеродина и делать его недоступным для обнаружения.
Нет
генераторов с идеальной стабильностью.
Все они в какой-то степени частотно- или
фазово-модулированы случайным процессом.
Всякая нестабильность гетеродина
переносится в любой продукт смешения
гетеродина и входного сигнала. Поэтому
боковая полоса, обязанная фазово-шумовой
модуляции гетеродина, присутствует
вокруг любой спектральной компоненты
на дисплее, которая достаточно велика
в сравнении с широкополосным остаточным
шумом системы(рис. 1)
Рисунок 1. Фазовый шум демонстрируется на дисплее только если отображаемый сигнал достаточно сильно возвышается над уровнем системного шума
Амплитудная разница между изображаемой на дисплее спектральной компонентой и фазовым шумом есть функция стабильности гетеродина. Чем более стабилен гетеродин, тем ниже фазовый шум. Амплитудная разница есть также функция полосы разрешения. Если мы уменьшим полосу разрешения в десять раз, уровень фазовых шумов уменьшится на 10 дБ.
Форма фазово-шумового спектра зависит от конструкции анализатора, конкретнее – от сложности реализации схемы ФАПЧ гетеродина. В некоторых анализаторах спектр фазового шума – относительно плоский пьедестал до полосы стабилизирующей петли. В других фазовый шум может затухать как функция отстройки от сигнала. Фазовый шум приводится в размерности дБн, то есть дБ относительно несущей, и нормализуется к 1 Гц полосе мощности шума. Иногда он определяется на конкретных частотных отстройках. Иной же раз приводится кривая, чтобы показать характеристики фазового шума в целом диапазоне отстроек. В общем, мы можем видеть собственный фазовый шум анализатора только в самых узких разрешающих фильтрах, когда он скрывает нижние области кривой АЧХ этих фильтров. Использование цифровых фильтров не меняет этот эффект. Для более широких фильтров фазовый шум невидим под нижней кромкой АЧХ фильтра, так же как в случае двух неравных синусоид, рассмотренном ранее. Современные анализаторы спектра позволяют пользователям выбирать различные режимы стабилизации гетеродина для оптимизации фазового шума под разные условия измерения.
Фазовый шум вызван случайными флюктуациями частоты или фазы сигнала. Особенно он опасен на высоких и сверхвысоких частотах, так как ведет к таким неблагоприятным последствиям, как: - расширение спектра сигналов - паразитная фазовая и частотная модуляция - невозможность применения сигналов в измерительных системах и трактах радиосвязи Обычно уровень фазовых шумов источника синусоидальных сигналов измеряется спектральным методом, при котором уровень шума при отстройке от несущей на частоту fm оценивается следующим выражением :
Достоинства спектрального метода: 1. Быстрая и несложная подготовка к измерениям 2. Широкий диапазон (от 10 Гц до 1 ГГц) 3. Параллельное измерение побочных излучений, гармоник, а также уровня просачивания мощности в соседние каналы 4. Прямые измерения уровня фазовых шумов при незначительном уровне амплитудных шумов.
Однако при всей своей популярности данный метод имеет и отрицательные стороны. Например: 1. Невозможно разделить шумы на фазовые и амплитудные 2. Невозможность измерения шумов меньше 10 Гц 3. Динамический диапазон измерений ограничен тепловыми шумами прибора и уровнем Способы уменьшения фазового шума генератора: 1. Тщательная оптимизация схемы генератора 2. Использование LС-контуров и резонаторов высокого качества (кварцевых) 3. Стабилизация температуры и напряжений питания
Почему важен фазовый шум?
Для иллюстрации важности низкого фазового шума приведем несколько характерных примеров. В аналоговых системах связи полезная информация, передаваемая при помощи модуляции, как правило, располагается на частотной оси на удалении нескольких сотен килогерц от несущей частоты. Несущая во многих связных системах часто преобразуется в более высокую частоту при помощи различных конверторов и смесителей. Если гетеродин, используемый в системе перено-
са частоты, имеет большую нестабильность, то его фазовый шум может маскировать полезный сигнал, отрицательно сказываться на соотношении сигнал-шум и в конечном счете ограничивать чувствительность и избирательность системы.
В качестве другого примера можно привести доплеровские радиолокационные системы (РЛС), которые определяют расстояние до цели и скорость ее перемещения в пространстве, измеряя изменения в частоте отклика, отраженного от цели. Однако на практике отраженный от подвижной цели полезный сигнал может поступать на радиолокационный приемник вместе с сиг-
налом, отразившимся от земной поверхности. Как правило, отраженный от поверхности земли сигнал значительно больше по амплитуде. Если гетеродин радиолокационного приемника имеет высокий фазовый шум, то сигнал, отраженный от поверхности земли, может маскировать полезный сигнал, отразившийся от цели (рис. 2).
Рис. 2. Влияние фазового шума на чувствительность доплеровской РЛС
Уровень фазовых шумов гетеродина радиолокационного приемника определяет, таким образом, минимальный детектируемый уровень отраженного полезного сигнала и, следовательно, чувствительность и возможности по обнаружению всей РЛС.
При выборе генератора общее правило такое: чем стабильность частоты генератора выше, тем его фазовый шум меньше. И, соответственно, наоборот. Генераторы, в которых фазовый шум характеризуется малыми или сверхмалыми величинами, представляют собой уже необычные схемы. Это довольно сложные радиотехнические системы.
Для измерения фазового шума прибор R&S FSVR оснащен удобной в использовании функцией маркера. Данная функция индицирует значение фазового шума ВЧ-генератора (в дБн) на любой несущей частоте в полосе частот 1 Гц.