Ruido de fase en analizadores de espectro

Estoy leyendo sobre los analizadores de espectro AN 150 de Keysight y tengo dos preguntas sobre el ruido de fase.

La AN dice:

Ningún oscilador es perfectamente estable. Aunque es posible que no podamos ver la fluctuación de frecuencia real de un sistema LO del analizador de espectro, todavía hay una manifestación de la inestabilidad de fase o frecuencia LO que se puede observar. Esto se conoce como ruido de fase (a veces llamado ruido de banda lateral).

Otro párrafo que me confunde es este:

Si reducimos el ancho de banda de resolución por un factor de 10, el nivel del ruido de fase mostrado disminuye por 10 dB.

Mis dos preguntas son:

  • ¿Por qué la falta de precisión en el sistema LO conduce a la falda que vemos en la pantalla cuando observamos el ruido de fase? Esperaría que, si la frecuencia del LO muestra algún error, entonces el pico de amplitud en la pantalla debería ser desplazado por ese error. ¿Por qué la visera está en el lugar correcto y se producen esas extrañas faldas? No puedo entender intuitivamente cómo la pantalla recibe esa forma debido a la inestabilidad LO.
  • Creo que si el filtro IF es lo suficientemente ancho, entonces el ruido de fase se ocultaría debajo de la falda del filtro mismo, por lo que el ruido de fase no sería fácil de apreciar. Si el filtro de FI es estrecho, aparece el ruido de fase. Por lo tanto, creo que reducir el RBW aumenta el ruido de fase. Entonces, ¿por qué la AN establece que la reducción de RB disminuye el nivel de ruido de fase?
Lea en la red para obtener información básica sobre Phase Noise para obtener una mejor apreciación de dónde proviene y cómo se ve. No es una compensación de frecuencia fija, es una variación siempre presente en la frecuencia o fase de cualquier oscilador.

Respuestas (2)

Para su primera pregunta, es necesario distinguir entre fluctuaciones de frecuencia a corto y largo plazo. Si la frecuencia está desfasada en una cantidad fija, y esta compensación cambia lentamente, entonces el pico de amplitud en la pantalla se desplazará en frecuencia en esa cantidad. Si, por otro lado, la frecuencia cambia de un lado a otro extremadamente rápido (fluctuación de frecuencia a corto plazo), esto es similar a la modulación FM y se muestra como ruido de fase. Esta fluctuación de frecuencia a corto plazo (a diferencia del error de frecuencia a largo plazo) crea la "falda" de ruido a la que se hace referencia en la nota de aplicación.

Para su segunda pregunta, generalmente hay una cantidad determinada de ruido de fase para un ancho de banda determinado: el ruido de fase se expresa en unidades de dBc por Hz de ancho de banda (dBc/Hz) en un desplazamiento determinado. Esta cantidad no es fija, sino que varía según la distancia a la que se mida el ruido de la portadora. No obstante, a medida que aumenta el ancho de banda de medición, también aumenta el ruido total dentro de ese ancho de banda. Por lo tanto, si configura el filtro RBW más ancho, entonces está integrando y promediando el ruido en un ancho de banda más amplio. Si configura el filtro RBW más angosto, solo captará el ruido en ese ancho de banda más angosto.

Gracias por tu respuesta. Conseguí la primera parte. Pero el segundo sigo sin entenderlo. ¿Por qué aumentaría el ruido de fase al aumentar RBW? No es como el ruido blanco que tiene "componentes" en todas las frecuencias. Así que incluso encuentro confusa la unidad de dBc/Hz para esta magnitud. ¿Podría proporcionar una explicación más intuitiva sobre esto?
Las unidades son dBc/Hz porque el ruido de fase (y otras fuentes de ruido en general) no se limitan a una sola frecuencia (si lo fueran, se mostrarían como un solo par de funciones delta de Dirac en el dominio de la frecuencia) . El ruido de fase no es necesariamente como el ruido blanco en el sentido de que no tiene componentes en todas las frecuencias, pero sí tiene componentes en un ancho de banda amplio, no solo en una sola frecuencia. (es decir, el ruido de fase no es tan regular que sea directamente equivalente a una señal de FM perfecta que consta de dos deltas de Dirac, sino que la fluctuación de frecuencia es bastante aleatoria).

tendero

Hablemos de (2) primero. Sí. Un filtro de gran ancho de banda de resolución ocultaría las faldas de ruido de fase, porque el factor de forma del filtro RB es explorado por la energía en el lóbulo central del oscilador. Buena idea tienes, no confiar demasiado en tu equipo de medición.

Ahora para (1). Hay (al menos) 2 situaciones para analizar, OpenLoop y ClosedLoop.

Con OpenLoop, los cambios de temperatura y el ruido de la fuente de alimentación y los cambios en el punto de funcionamiento del dispositivo activo harán que la frecuencia de la portadora varíe ligeramente. El último efecto --- cambio en el punto de operación --- se explota en los circuitos transmisores de FM de 1 transistor, donde se aplica una señal de micrófono a la base de Colpitts. Incluso sin una variación intencionada, la parte superior del soporte se desviará, en una forma etiquetada como "Lorentziana". Esto se demostró hace unos 30 años.

Con ClosedLoop, especialmente con una ganancia de bucle PLL alta, la portadora parecerá no deambular, pero en alta resolución (delta_frequency) se mostrará que la portadora deambula en el Lorentziano de la referencia de frecuencia del oscilador de cristal.

Preguntas específicamente por las faldas. Las faldas muestran varias pendientes (db por octava o db por década). El más interno (el más empinado) debe tener la forma del ruido de fase de la referencia de frecuencia, si tiene un detector de fase de RUIDO BAJO y una bomba de carga de RUIDO BAJO y un preescalador de JITTER BAJO y un potenciómetro de fracciones de JITTER BAJO de la lógica.

Fuera del ancho de banda del bucle PLL, el ruido de fondo OpAmp se levantará, al igual que el ruido de fase del oscilador.

Gracias por tu respuesta. Respecto a la 2da pregunta, no entiendo porque en la AN se dice que reduciendo el RBW se reduce el ruido de fase. Pensé que pasaba exactamente lo contrario. ¿Puedes explicar esto también?
Dada una densidad de ruido plana como primera aproximación, sobre una frecuencia delta pequeña, un filtro de ancho de banda 4:1 más pequeño tendrá 4:1 menos potencia (varianza estadística) y 2:1 menos desviación estándar (que es el voltaje RMS). Para 100:1 menos de ancho de banda, la desviación estándar cae 10:1.
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