Фазовый шум: частотное представление случайных фазовых флуктуаций
Phase noise
Фазовый шум: определение, характеристики и связь с джиттером. Представление случайных фазовых колебаний в частотной области для инженеров связи и цифровых систем.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Частотное представление случайных флуктуаций фазы сигнала.
Frequency domain representation of random fluctuations in the phase of a waveform
В обработке сигналов фазовый шум — это частотное представление случайных флуктуаций фазы сигнала, соответствующее отклонениям во временной области от идеальной периодичности (джиттер). Как правило, инженеры радиочастотных устройств говорят о фазовом шуме генератора, а инженеры цифровых систем — о джиттере тактовых импульсов.
In signal processing, phase noise is the frequency domain representation of random fluctuations in the phase of a waveform, corresponding to time domain deviations from perfect periodicity (jitter). Generally speaking, radio frequency engineers speak of the phase noise of an oscillator, whereas digital system engineers work with the jitter of a clock.
Определения
Исторически сложилось два противоречивых, но широко используемых определения фазового шума. Некоторые авторы определяют фазовый шум как спектральную плотность только фазы сигнала, в то время как другое определение относится к фазовому спектру (который соответствует амплитудному спектру), полученному в результате спектральной оценки самого сигнала. Оба определения дают одинаковый результат при отклонениях частоты, значительно удаленных от несущей. Однако, при малых отклонениях частоты, эти два определения различаются. IEEE определяет фазовый шум как Sφ(f), где "фазовая нестабильность" Sφ(f) является односторонней спектральной плотностью отклонения фазы сигнала. Хотя Sφ(f) является односторонней функцией, она представляет собой "двухстороннюю спектральную плотность флуктуаций фазы". Символ ℒ называется (заглавной) лигатурой L.
Historically there have been two conflicting yet widely used definitions for phase noise. Some authors define phase noise to be the spectral density of a signal's phase only, while the other definition refers to the phase spectrum (which pairs up with the amplitude spectrum) resulting from the spectral estimation of the signal itself. Both definitions yield the same result at offset frequencies well removed from the carrier. At close in offsets however, the two definitions differ. The IEEE defines phase noise as where the "phase instability" Sφ(f) is the one sided spectral density of a signal's phase deviation. Although Sφ(f) is a one sided function, it represents "the double sideband spectral density of phase fluctuation". The symbol ℒ is called a (capital or uppercase) script L.
Измерение
Фазовый шум можно измерить с помощью анализатора спектра, если фазовый шум испытываемого устройства (DUT) достаточно велик по сравнению с фазовым шумом локального генератора анализатора спектра. Необходимо учитывать, что наблюдаемые значения обусловлены измеряемым сигналом, а не характеристиками фильтров анализатора спектра. Измерение с использованием анализатора спектра позволяет оценить мощность фазового шума в широком диапазоне частот, например, от 1 Гц до 10 МГц. Зависимость наклона от частоты отклонения в различных областях может указывать на источник шума; например, низкочастотный мерцающий шум, уменьшающийся на 30 дБ на декаду (= 9 дБ на октаву). Системы измерения фазового шума являются альтернативой анализаторам спектра. Эти системы могут использовать внутренние и внешние опорные генераторы и позволяют измерять как остаточный (аддитивный), так и абсолютный шум. Кроме того, эти системы способны проводить измерения с низким уровнем шума вблизи несущей частоты.
Phase noise can be measured using a spectrum analyzer if the phase noise of the device under test (DUT) is large with respect to the spectrum analyzer's local oscillator. Care should be taken that observed values are due to the measured signal and not the shape factor of the spectrum analyzer's filters. Spectrum analyzer based measurement can show the phase noise power over many decades of frequency; e. g., 1 Hz to 10 MHz. The slope with offset frequency in various offset frequency regions can provide clues as to the source of the noise; e. g., low frequency flicker noise decreasing at 30 dB per decade (= 9 dB per octave). Phase noise measurement systems are alternatives to spectrum analyzers. These systems may use internal and external references and allow measurement of both residual (additive) and absolute noise. Additionally, these systems can make low noise, close to the carrier, measurements.
Спектровая чистота
Синусоидальный выход идеального генератора представляет собой единственную линию в частотном спектре. Такая идеальная спектральная чистота недостижима в практическом генераторе. Расширение спектральной линии, вызванное фазовым шумом, необходимо минимизировать в гетеродинном генераторе для супергетеродинного приемника, поскольку это сводит на нет цель ограничения полосы частот приемника фильтрами в тракте промежуточной частоты (ПЧ).
The sinewave output of an ideal oscillator is a single line in the frequency spectrum. Such perfect spectral purity is not achievable in a practical oscillator. Spreading of the spectrum line caused by phase noise must be minimised in the local oscillator for a superheterodyne receiver because it defeats the aim of restricting the receiver frequency range by filters in the IF (intermediate frequency) amplifier.