Фазовый шум генераторов

Реальные синусоидальные сигналы характеризуются шумовыми составляющими амплитуды и фазы, вызванными их случайными флуктуациями. В технике генерации синусоидальных сигналов особое значение имеет фазовый шум генераторов, создаваемый случайными флюктуациями частоты или фазы сигнала. На высоких и, особенно, сверхвысоких частотах он ведет к паразитной фазовой и частотной модуляции, расширению спектра сигналов и, порою, невозможности применения сигналов в трактах радиосвязи и в измерительных системах.

Обычно уровень фазовых шумов источника синусоидальных сигналов измеряется спектральным методом, при котором уровень шума при отстройке от несущей на частоту f_m оценивается выражением [81]:

где P₀ – мощность несущей сигнала, P_noise,fm – мощность фазовых шумов при отстройке по частоте f_m, B_noise – шумовая полоса узкополосного фильтра анализатора, D_korr – коэффициент корректировки.

Этот метод имеет ряд достоинств:

• Легкая и быстрая подготовка к измерениям.
• Широкий диапазон отстроек – от 10 Гц до 1 ГГц.
• Параллельное измерение уровня гармоник, побочных излучений и уровня просачивания мощности в соседние каналы.
• Прямые измерения уровня фазовых шумов при незначительном уровне амплитудных шумов.

Однако есть и ряд недостатков этого метода:

• Невозможность разделения фазовых и амплитудных шумов.
• Ограничение динамического диапазона измерений уровнем собственных шумов опорного генератора и тепловыми шумами прибора.
• Невозможность измерения фазовых шумов при малых расстройках (менее 10 Гц) из-за просачивания несущей в полосу пропускания анализатора.

Для высокоточного контроля источников сигналов некоторые фирмы выпускают специализированные анализаторы спектра, называемые анализаторами источников сигналов. От обычных анализаторов спектра они отличаются возможностью не только анализа спектра сигналов, но и измерения низких уровней фазовых шумов источников сигналов. Анализаторы сигналов объединяют два прибора - анализатор спектра высокого класса и анализатор источников сигналов.

Недостатки измерения фазового шума спектральным методом отсутствуют у метода, основанного на применении фазового детектора с вырезанием несущей. У этого метода на фазовый детектор подаются два сигнала – исследуемый и высокостабильный опорный. Равенство частот сигналов обеспечивается схемой фазовой автоподстройки частоты. При малых отклонениях фазы измеряемого сигнала сигнал на выходе фазового детектора оказывается пропорциональным изменению фазы исследуемого сигнала. Этот метод реализован в современных анализаторах сигналов фирмы Rohde & Schwarz.

Для уменьшения фазового шума проводится тщательная оптимизация схемы автогенератора, принимаются меры по стабилизации температуры и напряжений питания, используются высококачественные LС-контуры и резонаторы (например, кварцевые) и т.д. Общее правило таково – чем выше стабильность частоты генератора, тем меньше его фазовый шум (и наоборот). Генераторы с малым и сверхмалым фазовым шумом это уже не простые схемы вроде RC- или LC-генератора, а сложные радиотехнические системы.

Источник:
А. А. Афонский, В. П. Дьяконов, Электронные измерения в нанотехнологиях и в микроэлектронике
Под ред. проф. В. П. Дьяконова, Москва, ДМК пресс, 2011