Про вимір фазового шуму малошумливих генераторів

В умовах складної електромагнітної обстановки низький рівень фазового шуму (ФШ) синтезаторів, що розробляються, і локальних генераторів є однією з основних технічних вимог. Для вимірювання ФШ зазвичай використовуються аналізатори спектру (АС) відповідного діапазону частот або спеціалізовані аналізатори сигналів типу Agilent E5052, R&S FSUP та інших подібних рішень від компаній Microsemi, Berkeley Nucleonics, Holzworth Instrumentation, NoiseXT, Anapico та ін. порівняно з аналізаторами спектру мають дуже високі характеристики (що дозволяють досягати вимірювання рівня ФШ до -195 дБн/Гц), проте мало доступні радіоаматорам для домашнього застосування через свою ціну. Тому далі ми розглядатимемо вимірювання ФШ тільки з використанням різних аналізаторів спектру, які вже цілком доступні для нашого хобі.

У свою чергу, аналізатори спектру також можна умовно поділити на класи в залежності від мінімально вимірюваного рівня ФШ. Зазвичай у технічних характеристиках на аналізатори спектру наводять рівні ФШ на частоті 1 ГГц із розладом 10 кГц. Найпростіші бюджетні моделі можуть мати цей параметр на рівні -80 дБн/Гц, тоді як професійні моделі відомих брендів забезпечують виміри ФШ на рівні -120 дБн/Гц і краще.

Проілюструвати різницю в роботі подібних АС можна двома спектрограмами нижче, які були зроблені за наступних умов - на вхід двох аналізаторів спектра - Signal Hound USB-SA44B і R&S FSQ був поданий один і той же сигнал з генератора сигналів Anritsu MG3681A частотою 1000 МГц потужністю 0 дБм.

Нижче спектрограма сигналуАС Signal Hound. Відповідно до міток видно, що при відбудові 10 кГц рівень ФШ становить -74 дБн при RBW = 200 Гц.

Наводимо цей рівень ФШ до смуги 1 Гц, тоді L(f) = -74 - 10 * log (RBW) = -74 - 10 * log (200) = -74 - 23 = -97 дБн/Гц

Рис.1. Спектр вхідного сигналу 1 ГГц на аналізаторі SignalHound USB-SA44B

Нижче спектрограма того ж сигналу з генератора Anritsu MG3681A, але вже поданого на АС R&S FSQ. Відповідно до маркерів бачимо, що рівень ФШ сигналу з генератора Anritsu MG3681A становить -124 дБн/Гц при відбудові на 10 кГц (що відповідає технічному опису на даний генератор).

Рис.2. Спектр вхідного сигналу 1 ГГц на аналізаторі R&S FSQ8

То чому з'явилася така велика різниця у вимірах ФШ рівна (124 - 97) = 27 дБ?

Відповідь це питання якраз і полягає в тому, що АС Signal Hound має поріг вимірювання приблизно -97 дБн/Гц на частоті 1ГГц при розладі 10 кГц.

При подачі на вхід цього АС більш «чистого» (ФШ) сигналу аналізатор спектру Signal Hound не зможе правильно виміряти ФШ вхідного сигналу в силу апаратних обмежень самого АС SignalHound. Слід зазначити, що схожа картина спостерігається і з іншими подібними до АС бюджетного класу — Instek GSP-830, Rigol DSA-815, Aeroflex 9102 і т.п.

Однак бюджетні АС різних марок досить популярні серед радіоаматорів і було б непогано знайти спосіб їх використання для оцінки ФШ синтезаторів та генераторів у різних УКХ трансіверах та трансвертерах.

Питання можливості розширення діапазону виміру ФШ під час використання бюджетних аналізаторів спектру неодноразово обговорювалося з Володимиром Прокоф'євим, RA3ACE.

В результаті розгляду різних варіантів був прийнятий дляперевірки наступного алгоритму:

• перенести сигнал із досліджуваного генератора (DUT) на різницеву частоту 2 МГц, використовуючи подвійний балансний змішувач і малошумливий опорний генератор
• помножити різницевий сигнал 2 МГц у 27 разів і одержати на виході сигнал із частотою 54 МГц для аналізу на АС. При цій операції використовується властивість збільшення ФШ сигналу при множенні відповідно до формули 20 * log (N), де N - коефіцієнт множення за частотою. У нашому випадку при множенні у 27 разів погіршення ФШ вхідного сигналу, перенесеного на частоту 54 МГц становитиме 20*log(27) = 28,6 дБ.

Рис.3. Блок-схема вимірювального стенду

• DUT - досліджуваний генератор/синтезатор частоти
• Змішувач - подвійний балансний змішувач класу 13
• ФНЧ - фільтр низької частоти з частотою зрізу 2 МГц
• Помножувач на 27 — три каскади резонансного множення на 3 кожен
• OCXO — у тесті використаний малошумливий OCXO Bliley на 100 МГц, що має рівень ФШ краще -151 дБн/Гц при відбудові 10 кГц
• Помножувач на 10 - забезпечує на виході сигнал 1000 МГц і потужність +12.5 дБм за рівня ФШ -133 дБн/Гц при розладі 10 кГц.

Мал. 4. Фото вимірювального стенду, розробленого Володимиром, RA3ACE

Стенд дозволяє підключати замість внутрішнього малошумного опорного генератора 1000 МГц зовнішній малошумливий генератор сигналів на будь-яку частоту в діапазоні 40-2500 МГц.

Досліджуваний сигнал від DUT повинен відрізнятися частотою від опорного сигналу на 2 МГц. У нашому випробуванні вхідний сигнал від генератора Anritsu MG3681 має частоту 1002 МГц при частоті опорного сигналу 1000 МГц.

Головною умовою для зовнішнього генератора сигналів єнизький рівень ФШ, який має бути в ідеалі не менше ніж на 10 дБ краще, ніж DUT (у нашому випадку так приблизно і виходить - опорний генератор -133 проти -124 дБн/Гц у тестованого Anritsu MG3681A).

Що вийшло в результаті випробувань

Нижче спектрограма сигналу 1002 МГц з генератора Anritsu MG3681 перенесеного вимірювальним стендом на частоту 54 МГц.

Мал. 5. Вихідний сигнал 54 МГц із вимірювального стенду на аналізаторі SignalHound USB-SA44B

Як очевидно з спектрограммы рівень ФШ вимірюваного сигналу становить -72.2 дБн при RBW=200 Гц, що з перерахунку смугу 1 Гц дорівнює 95.2 дБн/Гц. З урахуванням множення різницевого сигналу в 27 разів підсумковий рівень ФШ з генератора Anritsu MG3681A становить -95.2 - 28.6 = -123.8 дБн/Гц, що відповідає значенню приладу ФШ при прямому вимірі.

Перевірити ще раз результат, подавши сигнал 54 МГц зі стенду на аналізатор спектру R&S FSQ:

Мал. 6. Вихідний сигнал 54 МГц з вимірювального стенду на аналізаторі R&S FSQ8

Як видно з спектрограми рівень ФШ вимірюваного сигналу становить -93.8 дБн/Гц, а з урахуванням множення різницевого сигналу в 27 разів підсумковий рівень ФШ з генератора Anritsu MG3681A становить -93.8 - 28.6 = -122.4 дБн/Гц, що відповідає вимірі.

І ще дві картинки нижче для повноти результатів виміру:

Мал. 7. Фазовий шум генератора Anritsu MG3681A при прямому вимірюванні на аналізаторі R&S FSQ8

Мал. 8. Фазовий шум генератора Anritsu MG3681A при вимірюванні на аналізаторі SignalHound USB-SA44B через стенд із переносом на 54 МГц (з урахуванням множення до значень ФШ має бути додано 28.6 дБн/Гц). Спад ФШ в діапазоні 100 кГц - 1 МГц пов'язаний знизькою різницевою частотою 2 МГц стенду.

У результаті:

• результати випробувань підтверджують перспективність використання цього методу вимірювання ФШ з використанням бюджетних аналізаторів спектру
• отримана можливість вимірювання ФШ аналізаторами спектру зі збільшенням вимірюваної «шумової підлоги» до 29 дБн/Гц (в даному випадку при застосуванні множення у 27 разів)
• при підвищенні коефіцієнта множення разностного сигналу не лише розширюватиметься діапазон вимірювання ФШ, а й зростатиме помилка вимірювання з допомогою внеску неідеальностей помножувачів частоти.
• дуже бажано прокалібрувати збільшення ФШ помножувача різницевого сигналу, що працює на фіксованій частоті, за допомогою точного аналізатора сигналів типу R&S FSUP або Agilent E5052.
• для зменшення помилки вимірювання у множнику частоти різницевого сигналу слід використовувати каскади множення з коефіцієнтами множення 2 або 3
• Спеціальні вимоги пред'являються до опорного генератора, який в ідеалі повинен мати ФШ краще вимірюваного пристрою мінімум на 10 дБ. У разі меншої різниці може знадобитися корекція підсумкового значення ФШ. Наприклад, у разі двох ідентичних за рівнем ФШ генераторів коефіцієнт корекції складе 3 дБ, які слід відняти від виміряного значення ФШ.
• при вимірюваннях на фіксованій частоті (у «точці») як малошумливий опорний генератор можливо використання каліброваних малошумящих кварцових генераторів з множенням (як у даному прикладі на 1000 Мгц)
• при вимірюваннях ФШ в діапазоні частот завдання ускладнюється, так як складно знайти генератори з низьким ФШ (нижче -130 дБн/Гц) в широкому діапазоні частот - як варіант можуть бути використані генератори сигналів R&S SMA100A, HP/Agilent серії 866Х,IFR/Marconi 2041 …
• за необхідності виміру ФШ на великих розладах бажано пропорційно збільшити різницеву частоту
• у перспективі для розширення діапазону виміру ФШ бажано застосування крос-кореляційного методу, але це вимагає залучення кваліфікованого програміста. Чи є охочі йти далі?

---