Решения в области характеризации фазовой и частотной стабильности сигналов СВЧ

Ключевые слова: фазовый шум, частотная стабильность, СВЧ, синхронное детектирование, анализатор спектра

Методы измерения фазовой и частотной стабильности гармонических сигналов

Важность спектральной чистоты сигнала СВЧ, выражаемой в виде относительного уровня амплитудных и фазовых шумов, стабильности частоты и амплитуды, гармонического и негармонического спектрального состава, для современных радиосистем очевидна и неоспорима [1, 2, 3].

В настоящее время широко используется несколько методов характеризации фазовой и частотной стабильности гармонических сигналов СВЧ, среди которых:

• измерение девиации Аллана в случае больших времен наблюдения;

• измерение джиттера в случае цифровых систем с характерными импульсными сигналами и малого времени наблюдения;

• измерение спектра фазовых шумов.

Как известно, все указанные меры жестко связаны друг с другом [3] и выражают в разных величинах общий характер случайного и систематического, в том числе необратимого, изменения частоты и фазы сигнала. Методы измерения основываются на сравнении с относительно стабильным и спектрально чистым источником СВЧ, называемым эталонным.

(1)

где σy(τ) – девиация Аллана;
fh – граничная частота интегрирования (полоса пропускания измерителя);
τ – интервал наблюдения за частотой;
f0 – несущая частота сигнала;
Sφ(f) – СПМ фазового шума сигнала.

Выражение (1) применимо при условии, что основная энергия фазового шума сосредоточена доотстройки fh, а среднеквадратическое отклонение фазы, обусловленное более высокочастотными составляющими, намного меньше 1 рад [4]. Измерение девиации Аллана традиционно выполняется с помощью частотомера. Точность измерения частоты определяется временной базой и младшим разрядом счетчика (разрешением частотомера).

Спектры фазовых и амплитудных шумов (или их сумма) обычно измеряется с помощью синхронного детектирования или прямого измерения спектра. Бóльшую гибкость измерений спектральных характеристик обеспечивают современные анализаторы спектра. В них применяется оцифровка сигнала ПЧ с последующей обработкой в виде выделения квадратурных составляющих, огибающей и фазы входного сигнала, расчета их временных диаграмм, спектра и т.п. (рис 1). Полоса обработки достигает сотен МГц.

Рисунок 1 – Общая структура обработки сигналов в анализаторе спектра 

Благодаря цифровой обработке сигнала в анализаторе спектра появляется возможность разделения фазы и амплитуды измеряемого сигнала, их накопления и обработки в виде компенсации смещений и дрейфов, подавления эффектов модуляции.

Введение обратной связи для управления частотой гетеродина на рисунке 1 реализует известный метод синхронного детектирования, который позволяет снимать непосредственно спектр фазового или амплитудного шума и снижать, таким образом, нагрузку на вычислитель. Действительно, в отсутствие обратной связи, от вычислителя требуется расчет преобразования Гильберта (если не используется квадратурный смеситель) и компенсация дрейфов буквально «на лету».

У обоих подходов (анализатор спектра и частотомер) есть существенное ограничение в чувствительности, обусловленное качеством внутренней временной базы и гетеродинов. Значительного снижения влияния измерительного канала на качество измерения добиваются путем наращивания их количества, переходя к уже известному методу с кросскорреляцией [3].

Кросскорреляционные измерения – это попытка обнаружить схожее поведение достаточно зашумленных выходов независимых каналов путем вычисления взаимных ковариационных функций или взаимных спектральных характеристик каналов. Причем, их независимость играет важную роль, так как взаимные ковариационные и спектральные характеристики независимых процессов равны нулю [1]. Широко известны двухканальные измерители фазовых шумов с фазовым синхронным детектированием (например, известный и успешный продукт Agilent Technologies E5052B).

Пожалуй, самое удивительное и настораживающее в двухканальном методе – это эффект подавления шумов каналов, не имеющий под собой физической основы. Отсюда появляются сомнения в достоверности измерений низких уровней фазовых шумов (субъективно, ниже −180 дБн/Гц) и уже обнаружены некоторые интересные эффекты [5, 6]. Действительно, реализовать фазовую модуляцию с нормированным индексом менее 1 нанорадиан представляет технически нереализуемым, чтобы проверить правильность работы системы. Тем не менее, данный подход активно используется наряду с проверенным временем анализатором спектра.

Описание реализации методов измерения в приборах серии СК4М и PLA, результаты измерений

В анализаторе спектра СК4М от Микрана реализована структура, аналогичная рисунку 1. Преобразование частоты, оцифровка и расчет преобразования Гильберта выполняется в измерительном блоке, а дальнейшая обработка отсчетов квадратур – в ПК. Максимальная частота выборки квадратур составляет 12,5 МГц, а длина позволяет реализовать герцовое разрешение ПФ. При этом максимальная полоса фильтра ПЧ составляет 3 МГц, а максимальная частота в спектре демодулированного сигнала – 1,5 МГц. Отсюда ограничение по максимальной отстройке измеряемого амплитудного и фазового шума в режиме синхронного детектирования. В отличие от описанного режима, классический метод прямого измерения спектра практически не ограничен по максимальной отстройке, но не позволяет раздельно измерять амплитудный и фазовый шум. Таким образом, в СК4М в виде программных опций реализована демодуляция и измерение шумов сигналов, а также есть возможность программной реализации измерения долговременной стабильности частоты и амплитуды.

Отдельно стоит отметить возможность измерения фазовых и амплитудных шумов сигналов с импульсной модуляцией. Для корректного измерения спектров в цифровую обработку введена дополнительная фильтрация комплексной огибающей настраиваемым ФНЧ порядка выше пятого. Частота среза примерно равна половине частоты повторения импульсов. Предварительно по отсчетам модуля огибающей рассчитываются длительность и частота повторения импульсов, затем формируется ФНЧ, через который проходят отсчеты огибающей. После фильтрации проводится уже стандартная процедура расчета спектров амплитуды и фазы с постобработкой и отображением.

Измеритель серии PLA – это двухканальная система синхронного фазового (по умолчанию) детектирования с вычислением взаимного спектра каналов и последующего усреднения. Фазовое детектирование, автоподстройка частоты, оцифровка выходов фазовых детекторов осуществляет в измерительном блоке, а расчет спектров и постобработка – на ПК. Благодаря использованию гетеродинов с умеренным уровнем фазовых шумов, шины USB 3.x и АЦП с невысокой частотой взятия выборки удалось существенно уменьшить габариты и энергопотребление системы.

Результаты измерений

На рисунке 2 приведены спектры амплитудных и фазовых шумов сигнала PLG12-11F Микран, измеренные на анализаторе спектра СК4М-50.

На рисунке 3 приведены спектры фазовых шумов при включенной и отключенной импульсной модуляции с параметрами 10/250 мкс (длительность/период). Также на экране отображены измеренные параметры 9,98/250 мкс. Спектр при импульсной модуляции «обрезан» на отстройке около половины частоты повторения. Видно повышение спектра шумов по мере роста отстройки из-за известного влияния соседних спектральных компонентов сигнала с импульсной модуляцией.

На рисунке 4 приведен результат измерения спектра фазовых шумов сигнала PLG с помощью измерителя PLA. Разница между результатами измерения на СК4М-50 укладывается в типичную погрешность 3–4 дБ, обусловленную погрешностями калибровки фазового детектора и компенсацией частотной неравномерности канала ФАПЧ.

Рисунок 2 – Спектры амплитудных и фазовых шумов сигнала PLG12-11F

Рисунок 3 – Спектры фазовых шумов при и без импульсной модуляции

Рисунок 4 – Спектр фазовых шумов PLG12-11F, измеренный PLA

Заключение

Таким образом, функциональные возможности анализаторов спектра серии СК4М производства Микран дополнены программными опциями демодуляции и измерения фазового и амплитудного шума. Кроме того, есть (востребованная сейчас) возможность анализировать фазовый шум сигнала с импульсной модуляцией. Планируется к добавлению программная опция измерения долговременной стабильности частоты и амплитуды сигналов СВЧ.

В настоящее время ведется разработка двухканального портативного анализатора источников сигналов общего применения серии PLA с умеренным уровнем характеристик и с функциональными возможностями настольных аналогов.

Список литературы

1. Ченакин А.В., Горевой А.В. Практическое построение синтезаторов частот СВЧ-диапазона – М: Горячая линия-Телеком, 2021. 280 с.

2. Глазов Г.Н., Горевой А.В. Управляемые генераторы СВЧ – Томск: Красное знамя, 2015. 1014 с.

3. Rubiola E. Phase Noise and Frequency Stability in Oscillators – Cambridge University Press, 2008. 228 p.

4. International Radio Consultative Committee. Characterization of Frequency and Phase Noise. Report 580, 1986. pp. 142–150.

5. Hati A., Nelson C.W. and Howe D.A. Cross-spectrum Measurement of Thermal-noise Limited Oscillators // Review of Scientific Instruments vol. 87, No 3, 2016.

6. Gruson Y., Rus A., Rohde U.L., Roth A., Rubiola E., Artifacts and Errors in Cross-Spectrum Phase Noise Measurements // Metrologia vol. 57, No 5, 2020.pp. 1–12.