Относно измерването на фазовия шум на генератори с нисък шум

В сложна електромагнитна среда ниското ниво на фазов шум (PN) на разработваните синтезатори и локални осцилатори е едно от основните технически изисквания. За измерване на PN.m за домашна употреба обикновено се използват спектрални анализатори (AS) от съответния честотен диапазон или специализирани сигнални анализатори като Agilent E5052, R&S FSUP и други подобни решения на Microsemi, Berkeley Nucleonics, Holzworth Instrumentation, NoiseXT, Anapico и др., поради цената им. Следователно по-нататък ще разгледаме измерването на PN само с помощта на различни спектрални анализатори, които вече са доста достъпни за нашето хоби.

От своя страна спектралните анализатори също могат да бъдат условно разделени на класове в зависимост от минималното измерено ниво на PN. Листовете с данни за спектрален анализатор обикновено изброяват нивата на PN при 1 GHz с отместване от 10 kHz. Най-простите бюджетни модели могат да имат тази настройка до -80 dBc/Hz, докато професионалните модели на известни марки осигуряват PN измервания от -120 dBc/Hz или по-добри.

Разликата в работата на такива високоговорители може да се илюстрира от двете спектрограми по-долу, които са направени при следните условия - същият сигнал от генератора на сигнал Anritsu MG3681A с честота 1000 MHz и мощност 0 dBm е подаден на входа на два спектрални анализатора - Signal Hound USB-SA44B и R&S FSQ.

По-долу е спектрограмата на сигнала наAC сигнална хрътка. В съответствие с етикетите може да се види, че при 10 kHz отместване нивото на FS е -74 dBc при RBW=200 Hz.

Намалете това PN ниво до 1 Hz честотна лента, след което L(f) = -74 - 10 * log (RBW) = -74 - 10 * log (200) = -74 - 23 = -97 dBc/Hz

Фиг. 1. 1 GHz входен спектър на анализатора SignalHound USB-SA44B

По-долу е спектрограма на същия сигнал от генератора Anritsu MG3681A, но вече подаден към високоговорителите R&S FSQ. В съответствие с маркерите виждаме, че нивото на PN сигнала от генератора Anritsu MG3681A е -124 dBc / Hz при настройка от 10 kHz (което съответства на техническото описание за този генератор).

Фиг.2. 1 GHz входен спектър на анализатор R&S FSQ8

Така че защо има толкова голяма разлика в измерванията на PN, равна на (124 - 97) = 27 dB?

Отговорът на този въпрос се крие именно във факта, че високоговорителят Signal Hound има праг на измерване от приблизително -97 dBc / Hz при честота 1 GHz с разстройка от 10 kHz.

Ако към входа на този високоговорител се приложи по-чист (PN) сигнал, спектралният анализатор на Signal Hound няма да може да измери правилно PN на входния сигнал поради хардуерните ограничения на самия високоговорител SignalHound. Трябва да се отбележи, че подобна картина се наблюдава и при други подобни колони от бюджетен клас - Instek GSP-830, Rigol DSA-815, Aeroflex 9102 и др.

Въпреки това, бюджетните високоговорители на различни марки са доста популярни сред радиолюбителите и би било хубаво да се намери начин да се използват за оценка на PN на синтезатори и генератори в различни VHF трансивъри и трансвертори.

Въпросът за възможността за разширяване на обхвата на измерване на PN при използване на бюджетни спектрални анализатори беше многократно обсъждан с Владимир Прокофиев, RA3ACE.

В резултат на разглеждане на различни варианти беше прието запроверка на следния алгоритъм:

прехвърлете сигнала от изпитвания осцилатор (DUT) до 2 MHz разлика в честотата, като използвате двойно балансиран миксер и референтен осцилатор с нисък шум
умножете разликата в сигнала от 2 MHz по 27 пъти и получете сигнал с честота от 54 MHz на изхода за анализ на AC. Тази операция използва свойството за увеличаване на PN сигнала, когато се умножи в съответствие с формулата 20 * log (N), където N е коефициентът на умножение на честотата. В нашия случай, при умножаване по 27 пъти, деградацията на PN на входния сигнал, прехвърлен на честота 54 MHz, ще бъде 20 * log (27) = 28,6 dB.

Фиг.3. Блокова схема на измервателната стойка

DUT - изследван осцилатор/честотен синтезатор
Миксер - двойно балансиран миксер клас 13
LPF - нискочестотен филтър с гранична честота 2 MHz
Множител по 27 - три етапа на резонансно умножение по 3 всеки
OCXO - В теста беше използван Bliley OCXO с нисък шум при 100 MHz, с ниво на FS по-добро от -151 dBc/Hz при 10 kHz отместване
10 Multiplier - Осигурява 1000 MHz сигнал и +12,5 dBm мощност при -133 dBc/Hz FS при 10 kHz отместване.

Ориз. 4. Снимка на измервателната стойка, разработена от Владимир, RA3ACE

Стойката ви позволява да свържете външен нискошумящ генератор на сигнали към всяка честота в диапазона 40-2500 MHz вместо вътрешния нискошумящ референтен генератор 1000 MHz.

Изследваният сигнал от DUT трябва да се различава по честота от референтния сигнал с 2 MHz. В нашия тест входният сигнал от генератора Anritsu MG3681A има честота 1002 MHz с референтна честота 1000 MHz.

Основното условие за външен генератор на сигнали ениско ниво на FS, което в идеалния случай трябва да е поне с 10 dB по-добро от DUT (в нашия случай приблизително това се случва - референтният осцилатор е -133 срещу -124 dBc / Hz за тествания Anritsu MG3681A).

Какво се случи в резултат на теста

По-долу е спектрограмата на 1002 MHz сигнал от генератора Anritsu MG3681A, прехвърлен от измервателната стойка на честота 54 MHz.

Ориз. 5. 54 MHz изходен сигнал от тестовия стенд на анализатора SignalHound USB-SA44B

Както може да се види от спектрограмата, нивото на PN на измерения сигнал е -72,2 dBc при RBW=200 Hz, което е равно на 95,2 dBc/Hz, когато се преобразува в честотна лента от 1 Hz. Като се вземе предвид умножаването на диференциалния сигнал с коефициент 27, крайното ниво на PN от генератора Anritsu MG3681A е -95,2 - 28,6 = -123,8 dBc/Hz, което съответства на стойността на PN на устройството по време на директно измерване.

Нека проверим отново резултата, като подадем сигнал от 54 MHz от стенда към спектралния анализатор R&S FSQ:

Ориз. 6. 54 MHz изходен сигнал от тестовия стенд на анализатора R&S FSQ8

Както се вижда от спектрограмата, нивото на PN на измерения сигнал е -93,8 dBc/Hz и като се вземе предвид умножението на диференциалния сигнал по 27 пъти, крайното ниво на PN от генератора Anritsu MG3681A е -93,8 – 28,6 = -122,4 dBc/Hz, което съответства на стойността на PN на устройството при директно измерване.

И още две снимки по-долу за пълнота на резултатите от измерването:

Ориз. 7. Фазов шум на осцилатора Anritsu MG3681A, измерен директно на анализатора R&S FSQ8

Ориз. Фиг. 8. Фазов шум на Anritsu MG3681A, измерен на анализатор SignalHound USB-SA44B през стойка с 54 MHz трансфер (28,6 dBc/Hz трябва да се добави към стойностите на PN, като се вземе предвид умножението). Намаляването на PN в диапазона от 100 kHz - 1 MHz е свързано сниска диференциална честота от 2 MHz стенд.

Общо:

резултатите от тестовете потвърждават обещанието за използване на този метод за измерване на PN с помощта на бюджетни спектрални анализатори
възможността за измерване на PN чрез спектрални анализатори беше получена с увеличаване на измерения "шумов под" до 29 dBc / Hz (в този случай, при прилагане на умножение от 27 пъти)
с увеличаване на коефициента на умножение на диференциалния сигнал не само ще се разшири обхватът на измерване на PN, но и грешката на измерване ще се увеличи поради приноса на несъвършенствата на честотните умножители.
много е желателно да се калибрира коефициентът на усилване на умножителя на разликата в PN, работещ на фиксирана честота, като се използва точен анализатор на сигнала като R&S FSUP или Agilent E5052.
за да се намали грешката на измерване в умножителя на честотата на сигнала на разликата, трябва да се използват етапи на умножение с коефициенти на умножение 2 или 3
специални изисквания се поставят към референтния осцилатор, който в идеалния случай трябва да има PN, по-добър от измерваното устройство с поне 10 dB. При по-малка разлика може да се наложи корекция на крайната стойност на FN. Например, в случай на два идентични PN генератора, коефициентът на корекция ще бъде 3 dB, който трябва да се извади от измерената PN стойност.
при измерване на фиксирана честота (в "точка"), като референтен осцилатор с нисък шум е възможно да се използват калибрирани кварцови осцилатори с нисък шум с умножение (както в този пример с 1000 MHz)
при измерване на PN в честотен диапазон задачата става по-сложна, тъй като е трудно да се намерят генератори с ниско PN (под -130 dBc / Hz) в широк честотен диапазон - като опция могат да се използват генератори на сигнали R&S SMA100A, HP / Agilent series 866X,IFR/Marconi 2041...
ако е необходимо да се измери PN при големи разстройки, е желателно да се увеличи пропорционално разликата в честотата
В бъдеще за разширяване на обхвата на измерване на PN е желателно да се използва методът на кръстосана корелация, но това изисква участието на квалифициран програмист. Има ли желаещи да продължат в тази посока?