Фазовые шумы КИПиА

Что такое фазовый шум? 

Выходной сигнал реального источника отличается от идеальной синусоиды. Шумы оказывают влияние на амплитуду и мгновенную фазу сигнала, то есть такой сигнал на самом деле имеет амплитудную и фазовую шумовую модуляцию. Большинство современных генераторов сигналов, в том числе гетеродины приемников, работают в режиме насыщения, что позволяет пренебречь амплитудной составляющая шума, поскольку она обычно на 20 дБ ниже фазовой составляющей. По этой причине шум генератора называют фазовым шумом. 

Производители радиоэлектронной аппаратуры указывают значения фазового шума затем, чтобы охарактеризовать стабильность источника сигнала по частоте за короткие промежутки времени. В общем случае частотная стабильность показывает, насколько точно конкретный источник выдает одну и ту же выходную частоту в определенном временном интервале, и может быть как долгосрочной, так и кратковременной. Долгосрочная стабильность, как следует из названия, описывает изменение частоты источника в течение длительного интервала времени – обычно указывают отношение ухода частоты к ее номинальному значению за год. Кратковременная стабильность оценивается по изменению частоты сигнала за секунды. 

На осциллограмме фазовый шум проявляется в виде «дрожания» синусоидального колебания, что можно обнаружить по изменению точки пересечения сигналом нуля. Такое дрожание очень трудно обнаружить в случае применения современных генераторов с высокой стабильностью частоты, однако в частотной области фазовый шум все же заметен - в виде боковых полос около несущей частоты.

Фазовый шум обычно описывают в одной боковой полосе. Однополосный фазовый шум характеризуют относительной СПМ, под которой понимают отношение мощности шума в полосе 1 Гц при отстройке Δf от несущей к мощности на несущей частоте, в децибелах на герц (дБн/Гц или относительно сигнала – дБс/Гц). Спектральная плотность мощности является непрерывной функцией отстройки по частоте, и ее представляют в виде графика или указывают одно или несколько значений при конкретных значениях отстроек.  

Рис.1. Идеальный и реальный РЧ сигнал 

Типы шумов КИПиА

Существуют два типа шумовых сигналов — детерминированные и случайные. 

1. Детерминированные шумы - это дискретные сигналы в боковых полосах спектра. Эти сигналы точно соотносятся с определенными параметрами каждого конкретного источника сигнала, например, частота линии питания, частота вибрации, комбинационные продукты смешения. Уровень таких сигналов известен заранее и указывается в децибелах относительно уровня несущей. Детерминированные составляющие не относят к фазовому шуму, а учитывают только случайный шум. 

2. Случайные фазовые шумы складываются из теплового шума, дробового шума и фликкер-шума в полупроводниковых элементах.

• Тепловой шум возникает в резисторах и транзисторах. Такой шум имеет постоянную спектральную плотность мощности (СПМ) до нескольких сотен гигагерц и гауссовскую плотность распределения мгновенных значений.
• Дробовый шум связан с током, протекающим через p-n переходы полупроводников. Сила тока зависит от величины заряда, проходящего через сечение проводящего элемента в секунду. Число частиц, несущих заряд, является величиной случайной. Поэтому появляются отклонения текущих значений тока от его среднего значения. Шумовой ток, протекая через сопротивление нагрузки, вызывает мгновенные изменения мощности - дробовый шум. Спектральная плотность мощности дробового шума плоская до нескольких гигагерц, а плотность распределения мгновенных значений - гауссовская.
• Фликкер-шум, или шум мерцания, связан с постоянным током и присутствует во всех активных и некоторых пассивных элементах. Фликкер-шум имеет спектральную плотность мощности, которая изменяется обратно пропорционально значению частоты.

Тепловой и дробовый шум являются основными составляющими фазового шума генератора при больших отстройках по частоте, фликкер-шум - при малых отстройках. 

Почему важен низкий фазовый шум? 

• В аналоговых системах связи полезная информация передается при помощи модуляции несущего сигнала. Частота модуляции, как правило, отличается от несущей частоты на нескольких сотен килогерц. При приеме несущая переносится на более высокую частоту при помощи конвертеров или смесителей. Если гетеродин в системе переноса частоты имеет плохую стабильность, то его фазовый шум будет ухудшать отношение сигнал-шум и может даже маскировать полезный сигнал. Такой гетеродин приведет к значительному уменьшению чувствительности и избирательности всей системы. 

• Доплеровские радиолокационные системы (РЛС) определяют расстояние до цели и скорость ее перемещения, измеряя изменения в частоте отраженного от цели сигнала. Однако на практике отраженный полезный сигнал часто поступает на радиолокационный приемник вместе с сигналом, отразившимся от земной поверхности. Причем отражения от земной поверхности имеют значительно большую амплитуду, чем полезный сигнал. Если гетеродин приемника имеет высокий фазовый шум, то сравнение исходного сигнала с принятым становится затруднительным, поскольку отраженный от поверхности земли сигнал скроет его. Уровень фазовых шумов гетеродина приемника определяет, таким образом, точность и возможности по обнаружению всей РЛС. 

  
  Рис. 2. Влияние шума на работу РЛС

• В цифровых системах передачи информации применяется фазовая манипуляция, и ухудшение отношения сигнал/шум за счет фазового шума гетеродина увеличивает вероятность ошибочного приема или не приема бита информации.  
• В радиопередающих устройствах фазовый шум также играет важную роль. Фазовый шум генератора передающего устройства усиливается вместе с полезным сигналом последующими каскадами и может оказывать значительное влияние на работу радиоприемных устройств, работающих поблизости. 

Выводы 

К аппаратуре, применяемой при разработке и отладке современных цифровых и аналоговых приемников и передатчиков, предъявляются довольно жесткие требования по фазовому шуму. В первую очередь это касается генераторов сигналов и анализаторов спектра. 

В современных анализаторах спектра гетеродины выполнены как синтезаторы частоты, синхронизированные высокоточным опорным сигналом через систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Полоса захвата системы ФАПЧ оказывает серьезное влияние на величину фазового шума. В анализаторах спектра эта полоса обычно является регулируемой, чтобы можно было адаптироваться к специфике задач измерений. Переключение режима часто происходит неявно, полоса системы ФАПЧ связывается или с анализируемым частотным диапазоном, или с выбранной полосой разрешения. Например, если требуется отображать большие частотные диапазоны, то важен минимальный фазовый шум вдали от несущей. Для таких задач автоматически выбирается узкая полоса захвата системы ФАПЧ. 

Для оптимального выбора параметров режима измерений в добавление к фазовому шуму при различных отстройках от несущей часто указываются рекомендуемые полосы разрешения или настройки диапазона качаний. Установка параметров, отличных от рекомендуемых, может привести к значительному увеличению уровня фазовых шумов. 

Сигнал любого источника содержит фазовый шум, который может быть более или менее четко определен. Выбирая соответствующий режим работы прибора, фазовый шум может быть минимизирован до определенного уровня, но никогда не может быть полностью исключен.