Об измерении фазового шума малошумящих генераторов/синтезаторов частоты при ограниченном бюджете
8.1.2015
В условиях сложной электромагнитной обстановки низкий уровень фазового шума (ФШ) разрабатываемых синтезаторов и локальных генераторов является одним из основных технических требований. Для измерения ФШ обычно используются анализаторы спектра (АС) соответствующего диапазона частот либо специализированные анализаторы сигналов типа Agilent E5052, R&S FSUP и других подобных решений от компаний Microsemi, Berkeley Nucleonics, Holzworth Instrumentation, NoiseXT, Anapico и др. Упомянутые специализированные анализаторы сигналов по сравнению с анализаторами спектра имеют весьма высокие характеристики (позволяющие достигать измерения уровня ФШ до -195 дБн/Гц), однако мало доступны радиолюбителям для домашнего применения из-за своей цены. Поэтому далее мы будем рассматривать измерение ФШ только с использованием различных анализаторов спектра, которые уже вполне доступны для нашего хобби.
В свою очередь анализаторы спектра также можно условно поделить на классы в зависимости от минимально измеряемого уровня ФШ. Обычно в технических характеристиках на анализаторы спектра приводят уровни ФШ на частоте 1 ГГц с расстройкой 10 кГц. Самые простые бюджетные модели могут иметь этот параметр на уровне -80 дБн/Гц, в то время как профессиональные модели известных брендов обеспечивают измерения ФШ на уровне -120 дБн/Гц и лучше.
Проиллюстрировать разницу в работе подобных АС можно двумя спектрограммами ниже, которые были сделаны при следующих условиях — на вход двух анализаторов спектра — Signal Hound USB-SA44B и R&S FSQ был подан один и тот же сигнал с генератора сигналов Anritsu MG3681A частотой 1000 МГц и мощностью 0 дБм.
Ниже спектрограмма сигнала на АС Signal Hound. В соответствии с метками видно, что при отстройке 10 кГц уровень ФШ составляет -74 дБн при RBW=200 Гц.
Приводим этот уровень ФШ к полосе 1 Гц, тогда
L(f) = -74 — 10 * log (RBW) = -74 — 10 * log (200) = -74 — 23 = -97 дБн/Гц
Рис.1. Спектр входного сигнала 1 ГГц на анализаторе SignalHound USB-SA44B
Ниже спектрограмма того же сигнала с генератора Anritsu MG3681A, но поданного уже на АС R&S FSQ. В соответствии с маркерами видим, что уровень ФШ сигнала с генератора Anritsu MG3681A составляет -124 дБн/Гц при отстройке на 10 кГц (что соответствует техническому описанию на данный генератор).
Рис.2. Спектр входного сигнала 1 ГГц на анализаторе R&S FSQ8
Так почему же появилась такая большая разница в измерениях ФШ равная (124 — 97) = 27 дБ?
Ответ на этот вопрос как раз и состоит в том, что АС Signal Hound имеет порог измерения примерно -97 дБн/Гц на частоте 1ГГц при расстройке 10 кГц.
При подаче на вход этого АС более «чистого» (по ФШ) сигнала анализатор спектра Signal Hound не сможет правильно измерить ФШ входного сигнала в силу аппаратных ограничений самого АС SignalHound. Следует отметить, что похожая картина наблюдается и с другими подобными АС бюджетного класса — Instek GSP-830, Rigol DSA-815, Aeroflex 9102 и т.п.
Однако бюджетные АС различных марок достаточно популярны среди радиолюбителей и было бы неплохо найти способ их использования для оценки ФШ синтезаторов и генераторов в различных УКВ трансиверах и трансвертерах.
Вопрос о возможности расширения диапазона измерения ФШ при использовании бюджетных анализаторов спектра неоднократно обсуждался с Владимиром Прокофьевым, RA3ACE.
В результате рассмотрения различных вариантов был принят для проверки следующий алгоритм:
- перенести сигнал с исследуемого генератора (DUT) на разностную частоту 2 МГц, используя двойной балансный смеситель и малошумящий опорный генератор
- умножить разностный сигнал 2 МГц в 27 раз и получить на выходе сигнал с частотой 54 МГц для анализа на АС. При этой операции используется свойство увеличения ФШ сигнала при умножении в соответствии с формулой 20 * log (N), где N — коэффициент умножения по частоте. В нашем случае при умножении в 27 раз ухудшение ФШ входного сигнала, перенесенного на частоту 54 МГц составит 20*log (27) = 28,6 дБ.
Рис.3. Блок-схема измерительного стенда
где:
DUT — исследуемый генератор/синтезатор частоты
Смеситель — двойной балансный смеситель класса 13
ФНЧ — фильтр низкой частоты с частотой среза 2 МГц
Умножитель на 27 — три каскада резонансного умножения на 3 каждый
OCXO — в тесте использован малошумящий OCXO Bliley на 100 МГц, имеющий уровень ФШ лучше -151 дБн/Гц при отстройке 10 кГц
Умножитель на 10 — обеспечивает на выходе сигнал 1000 МГц и мощность +12.5 дБм при уровне ФШ -133 дБн/Гц при расстройке 10 кГц
http://www.ra3apw.ru/wp-content/uploads/2015/01/ref_1000mgh.jpg.
Рис. 4. Фото измерительного стенда, разработанного Владимиром, RA3ACE
Стенд позволяет подключать вместо внутреннего малошумящего опорного генератора 1000 МГц внешний малошумящий генератор сигналов на любую частоту в диапазоне 40-2500 МГц.
Исследуемый сигнал от DUT должен отличаться по частоте от опорного сигнала на 2 МГц. В нашем испытании входной сигнал от генератора Anritsu MG3681A имеет частоту 1002 МГц при частоте опорного сигнала 1000 МГц.
Главным условием для внешнего генератора сигналов является низкий уровень ФШ, который должен быть в идеале не менее чем на 10 дБ лучше, чем DUT (в нашем случае так примерно и получается — опорный генератор -133 против -124 дБн/Гц у тестируемого Anritsu MG3681A).
Что получилось в результате испытаний?
Ниже спектрограмма сигнала 1002 МГц с генератора Anritsu MG3681A перенесенного измерительным стендом на частоту 54 МГц.
Рис. 5. Выходной сигнал 54 МГц с измерительного стенда на анализаторе SignalHound USB-SA44B
Как видно из спектрограммы уровень ФШ измеряемого сигнала составляет -72.2 дБн при RBW=200 Гц, что при пересчете в полосу 1 Гц равно 95.2 дБн/Гц. С учетом умножения разностного сигнала в 27 раз итоговый уровень ФШ с генератора Anritsu MG3681A составляет -95.2 — 28.6 = -123.8 дБн/Гц, что соответствует значению ФШ прибора при прямом измерении.
Перепроверим результат, подав сигнал 54 МГц со стенда на анализатор спектра R&S FSQ:
Рис. 6. Выходной сигнал 54 МГц с измерительного стенда на анализаторе R&S FSQ8
Как видно из спектрограммы уровень ФШ измеряемого сигнала составляет -93.8 дБн/Гц, а с учетом умножения разностного сигнала в 27 раз итоговый уровень ФШ с генератора Anritsu MG3681A составляет -93.8 — 28.6 = -122.4 дБн/Гц, что соответствует значению ФШ прибора при прямом измерении.
И еще две картинки ниже для полноты результатов измерения:
Рис. 7. Фазовый шум генератора Anritsu MG3681A при прямом измерении на анализаторе R&S FSQ8
Рис. 8. Фазовый шум генератора Anritsu MG3681A при измерении на анализаторе SignalHound USB-SA44B через стенд с переносом на 54 МГц (с учетом умножения к значениям ФШ должно быть прибавлено 28.6 дБн/Гц) . Спад ФШ в диапазоне 100 кГц — 1 МГц связан с низкой разностной частотой 2 МГц стенда.
В итоге:
- результаты испытаний подтверждают перспективность использования данного метода измерения ФШ с использованием бюджетных анализаторов спектра
- получена возможность измерения ФШ анализаторами спектра с увеличением измеряемого «шумового пола» до 29 дБн/Гц (в данном случае при применении умножения в 27 раз)
- при повышении коэффициента умножения разностного сигнала будет не только расширяться диапазон измерения ФШ, но и будет возрастать ошибка измерения.
- весьма желательно прокалибровать увеличение ФШ умножителя разностного сигнала, работающего на фиксированной частоте, с помощью точного анализатора сигналов типа R&S FSUP или Agilent E5052
- для уменьшения ошибки измерения в умножителе частоты разностного сигнала следует использовать каскады умножения с коэффициентами умножения 2 или 3
- особые требования предъявляются к опорному генератору, который в идеале должен иметь ФШ лучше измеряемого устройства минимум на 10 дБ. В случае меньшей разницы может потребоваться коррекция итогового значения ФШ. Например, в случае двух идентичных по уровню ФШ генераторов коэффициент коррекции составит 3 дБ, которые следует вычесть из измеренного значения ФШ
- при измерениях на фиксированной частоте (в «точке») в качестве малошумящего опорного генератора возможно использование калиброванных малошумящих кварцевых генераторов с умножением (как в данном примере на 1000 МГц)
- при измерениях ФШ в диапазоне частот задача усложняется, так как сложно найти генераторы с низким ФШ (ниже -130 дБн/Гц) в широком диапазоне частот — как вариант могут быть использованы генераторы сигналов R&S SMA100A, HP/Agilent серии 866Х, IFR/Marconi 2041 …
- при необходимости измерения ФШ на больших расстройках желательно пропорционально увеличить разностную частоту
- в перспективе для расширения диапазона измерения ФШ желательно применение кросс-корреляционного метода, но это требует привлечения квалифицированного программиста.
Есть ли желающие идти в этом направлении дальше?
Карен Тадевосян, RA3APW
Оригинал
http://www.ra3apw.ru/proekty/pn-measurement/
