Fázový šum - Phase noise


v zpracování signálu, fázový šum je frekvenční doména reprezentace náhodných výkyvů v fáze a křivka, souhlasí s časová doména odchylky od dokonalé periodicity ("chvění "). Obecně řečeno, rádiová frekvence inženýři hovoří o fázovém šumu oscilátor, zatímco digitální systém inženýři pracují s chvěním hodin.
Definice
Historicky existovaly dvě protichůdné, ale široce používané definice fázového šumu. Někteří autoři definují fázový šum jako spektrální hustota pouze fáze signálu,[1] zatímco druhá definice odkazuje na fázové spektrum (které se páruje s amplitudovým spektrem, viz spektrální hustota # Související pojmy ) vyplývající z spektrální odhad samotného signálu.[2] Obě definice přinášejí stejný výsledek při ofsetových frekvencích dobře odstraněných z nosné. Při vyrovnání při uzavření se však obě definice liší.[3]
The IEEE definuje fázový šum jako ℒ (F) = Sφ(F)/2 kde "fázová nestabilita" Sφ(F) je jednostranná spektrální hustota fázové odchylky signálu.[4] Ačkoli Sφ(F) je jednostranná funkce, představuje „spektrální hustotu oboustranného pásma fluktuace fází“.[5] Symbol ℒ se nazývá a (velká nebo velká písmena) skript L.[6]
Pozadí
Ideál oscilátor vygeneruje čistý sinusoida. Ve frekvenční doméně by to bylo představováno jako jeden pár Dirac delta funkce (pozitivní a negativní konjugáty) na frekvenci oscilátoru; tj. všechny signály Napájení je na jedné frekvenci. Všechny skutečné oscilátory mají fázově modulovaný hluk komponenty. Komponenty fázového šumu šíří sílu signálu na sousední frekvence, což vede k šumu postranní pásma. Oscilátorový fázový šum často zahrnuje nízkou frekvenci blikání a mohou zahrnovat bílý šum.
Zvažte následující bezhlučný signál:
- proti(t) = Acos (2πF0t).
Fázový šum se k tomuto signálu přidá přidáním a stochastický proces reprezentovaný φ signálu takto:
- proti(t) = Acos (2πF0t + φ (t)).
Fázový šum je typ cyclostationary noise a úzce souvisí s chvění. Obzvláště důležitý typ fázového šumu je ten, který produkuje oscilátory.
Fázový šum (ℒ (F)) je obvykle vyjádřen v jednotkách dBc / Hz a představuje výkon šumu ve vztahu k nosné obsažené v šířce pásma 1 Hz se středem v určitých posunech od nosné. Například určitý signál může mít fázový šum -80 dBc / Hz při offsetu 10 kHz a -95 dBc / Hz při offsetu 100 kHz. Fázový šum lze měřit a vyjádřit jako hodnoty s jedním postranním pásmem nebo s dvojitým postranním pásmem, ale jak již bylo uvedeno dříve, IEEE přijalo definici jako polovinu PSD s dvojitým postranním pásmem.
Konverze chvění
Fázový šum se někdy také měří a vyjadřuje jako výkon získaný integrací ℒ (F) v určitém rozsahu ofsetových frekvencí. Fázový šum může být například integrován v rozsahu -40 dBc v rozsahu 1 kHz až 100 kHz. Tento integrovaný fázový šum (vyjádřený ve stupních) lze převést na jitter (vyjádřený v sekundách) pomocí následujícího vzorce:
V nepřítomnosti Hluk 1 / f v oblasti, kde fázový šum zobrazuje –20 dBc / dekáda sklon (Leesonova rovnice ), RMS jitter cyklu může být ve vztahu k fázovému šumu:[7]
Rovněž:
Měření
Fázový šum lze měřit pomocí a spektrální analyzátor pokud je fázový šum testovaného zařízení (DUT) velký vzhledem k analyzátoru spektra místní oscilátor. Je třeba dbát na to, aby pozorované hodnoty byly způsobeny měřeným signálem, a nikoli tvarovým faktorem filtrů spektrálního analyzátoru. Měření založené na spektrálním analyzátoru může ukázat výkon fázového šumu po mnoho desetiletí frekvence; např. 1 Hz až 10 MHz. Sklon s frekvencí ofsetu v různých oblastech frekvence ofsetu může poskytnout vodítka, pokud jde o zdroj hluku; např. nízká frekvence blikání klesající při 30 dB za dekádu (= 9 dB na oktávu).[8]
Systémy pro měření fázového šumu jsou alternativou k spektrálním analyzátorům. Tyto systémy mohou používat interní a externí reference a umožňují měření jak zbytkového (aditivního), tak absolutního šumu. Tyto systémy navíc mohou provádět měření s nízkým šumem a blízko nosiče.
Spektrální čistota
Sinusový výstup ideálu oscilátor je jedna linka ve frekvenčním spektru. Taková dokonalá spektrální čistota není v praktickém oscilátoru dosažitelná. Šíření spektrální čáry způsobené fázovým šumem musí být minimalizováno v místním oscilátoru pro a superheterodynový přijímač protože porušuje cíl omezit kmitočtový rozsah přijímače filtry v zesilovači IF (střední frekvence).
Viz také
- Allanův rozptyl
- Blikání
- Leesonova rovnice
- Chyba maximálního časového intervalu
- Spektrální hustota šumu
- Spektrální hustota
- Spektrální fáze
- Optoelektronický oscilátor
Reference
- ^ Rutman, J .; Walls, F. L. (červen 1991), "Charakterizace frekvenční stability v přesných frekvenčních zdrojích" (PDF), Sborník IEEE, 79 (6): 952–960, Bibcode:1991IEEEP..79..952R, doi:10.1109/5.84972
- ^ Demir, A .; Mehrotra, A .; Roychowdhury, J. (květen 2000), „Fázový šum v oscilátorech: sjednocující teorie a numerické metody charakterizace“ (PDF), Transakce IEEE na obvodech a systémech I: Základní teorie a aplikace, 47 (5): 655–674, CiteSeerX 10.1.1.335.5342, doi:10.1109/81.847872, ISSN 1057-7122
- ^ Navid, R .; Jungemann, C .; Lee, T. H .; Dutton, R. W. (2004), „Blízký fázový šum v elektrických oscilátorech“, Proc. SPIE Symp. Výkyvy a hluk, Maspalomas, Španělsko
- ^ Vig, John R .; Ferre-Pikal, Eva. S .; Camparo, J. C .; Cutler, L. S .; Maleki, L .; Riley, W. J .; Stein, S. R .; Thomas, C .; Walls, F.L .; White, J. D. (26. března 1999), Standardní definice IEEE fyzikálních veličin pro základní frekvenci a časovou metrologii - náhodné nestability, IEEE, ISBN 978-0-7381-1754-6, IEEE Std 1139-1999viz definice 2.7.
- ^ IEEE 1999, str. 2 s uvedením ℒ (F) „je jedna polovina spektrální hustoty fluktuace fáze s dvojitým postranním pásmem.“
- ^ IEEE 1999, str. 2
- ^ Přehled fázového šumu a chvění (PDF), Keysight Technologies, 17. května 2001
- ^ Cerda, Ramon M. (červenec 2006), "Dopad ultralow fázových šumových oscilátorů na výkon systému" (PDF), RF design: 28–34
Další čtení
- Rubiola, Enrico (2008), Stabilita fázového šumu a frekvence v oscilátorech, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-88677-2
- Wolaver, Dan H. (1991), Návrh obvodu smyčky fázového závěsu, Prentice Hall, ISBN 978-0-13-662743-2
- Lax, M. (srpen 1967), "Klasický šum. V. Hluk v samostatných oscilátorech", Fyzický přehled, 160 (2): 290–307, Bibcode:1967PhRv..160..290L, doi:10.1103 / PhysRev.160.290
- Hajimiri, A .; Lee, T. H. (únor 1998), „Obecná teorie fázového šumu v elektrických oscilátorech“ (PDF), IEEE Journal of Solid-State Circuits, 33 (2): 179–194, Bibcode:1998IJSSC..33..179H, doi:10.1109/4.658619
- Pulikkoonattu, R. (12. června 2007), Oscilátor, fázový šum a kolísání vzorkovací frekvence (PDF), Tech Note, Bangalore, Indie: ST Microelectronics, vyvoláno 29. března 2012
- Chorti, A .; Brookes, M. (září 2006), "Spektrální model pro RF oscilátory s fázovým šumem podle zákona" (PDF), Transakce IEEE na obvodech a systémech I: Pravidelné práce, 53 (9): 1989–1999, doi:10.1109 / TCSI.2006.881182, hdl:10044/1/676, S2CID 8855005
- Rohde, Ulrich L .; Poddar, Ajay K .; Böck, Georg (květen 2005), Návrh moderních mikrovlnných oscilátorů pro bezdrátové aplikace, New York, NY: John Wiley & Sons, ISBN 978-0-471-72342-4
- Ulrich L. Rohde, nová a efektivní metoda navrhování nízkošumových mikrovlnných oscilátorů, https://depositonce.tu-berlin.de/bitstream/11303/1306/1/Dokument_16.pdf
- Ajay Poddar, Ulrich Rohde, Anisha Apte, „How Low Can They Go, Oscillator Phase noise model, Theoretical, Experimental Validation, and Phase Noise Measurements“, IEEE Microwave Magazine, Vol. 14, č. 6, s. 50–72, září / říjen 2013.
- Ulrich Rohde, Ajay Poddar, Anisha Apte, „Jak měřit“, IEEE Microwave Magazine, sv. 14, č. 6, s. 73–86, září / říjen 2013
- U. L. Rohde, A. K. Poddar, Anisha Apte, „Měření fázového šumu a jeho omezení“, Mikrovlnný deník, s. 22–46, květen 2013
- A. K. Poddar, U.L. Rohde, „Technika minimalizace fázového šumu krystalových oscilátorů“, Mikrovlnný deník, s. 132–150, květen 2013.
- A. K. Poddar, U. L. Rohde a E. Rubiola, „Měření fázového šumu: výzvy a nejistota“, 2014 IEEE IMaRC, Bangalore, prosinec 2014.