Фазовый шум генератора

Фазовый шум является мерой кратковременной стабильности генератора в частотной области. На сигнал генератора гармонических колебаний влияют шумы различного происхождения. Сюда входят, прежде всего, тепловой шум, дробовый шум и фликкер-шум.

Тепловой шум имеет место в резисторах. Наблюдается также в транзисторах и зависит от напряжения смещения на электродах транзистора. Имеет постоянную спектральную плотность мощности вплоть до нескольких сотен гигагерц и гауссовскую плотность распределения мгновенных значений.

Дробовый шум связан с постоянным током, протекающим через p-n переходы полупроводников. Известно, что сила тока определяется величиной заряда, проходящего через сечение проводящего элемента в секунду. Переносимый заряд является квантованным, ограниченным мельчайшей единицей заряда (е = 1.6×10^–19 Кл), а число частиц, несущих этот заряд через выбранное сечение, является величиной случайной. Это приводит к тому, что наблюдаются случайные отклонения мгновенных значений тока от его среднего значения, которые и являются шумовой составляющей тока. Шумовой ток, протекая через сопротивление нагрузки, вызывает изменения мощности, которые составляют дробовый шум. Спектральная плотность мощности дробового шума плоская до нескольких гигагерц, а плотность распределения мгновенных значений гауссовская.

Тепловой и дробовый шум являются главными вкладчиками в шум генератора при больших отстройках по частоте.

Фликкер-шум (шум мерцания) связан с постоянным током. Присутствует во всех активных и некоторых пассивных приборах. Имеет спектральную плотность мощности, которая изменяется обратно пропорционально значению частоты. Является главным вкладчиком в шум генератора при малых отстройках.

Выходное напряжение реального генератора отличается от желаемой идеальной синусоиды. Шумы перечисленных источников влияют на амплитуду и текущую фазу сигнала генератора, поэтому реальный генератор имеет как амплитудную шумовую модуляцию n(t), так и фазовую шумовую модуляцию q(t), и его сигнал можно записать в виде

u_г(t) = [1 + n(t)] cos [w_гt + q_n(t)], (9.17)

где n(t) и q_n(t) – случайные процессы. Большинство генераторов, в том числе гетеродины приемников, работают в режиме насыщения. При этом амплитудная составляющая шума обычно на 20 дБ ниже, чем составляющая фазового шума и во многих случаях ею можно пренебречь. По этой причине шум генератора называют фазовым шумом.

Во временной области фазовый шум проявляется в виде дрожания синусоидального колебания. В результате изменяется точка пересечения нуля, как показано на рис. 9.7. Для генераторов с высокой стабильностью частоты фазовый шум во временной области обычно не заметен. В частотной области фазовый шум появляется в виде боковых полос около частоты несущей. В общем случае в боковых полосах присутствуют дискретные составляющие, так называемые ложные сигналы, или «шпоры» (рис. 9.8).

Появление дискретных составляющих в спектре гетеродина приемника вызвано источниками, находящимися в самом приемнике и вызывающими дополнительную фазовую модуляцию частоты гетеродина. В этом случае в выражении (9.17) мгновенная фаза сигнала генератора будет содержать дополнительные детерминированные функции времени, порождающие эти составляющие. Если, например, гетеродин построен на основе синтезатора частоты, то опорные частоты, используемые в синтезаторе, могут присутствовать в спектре сигнала. На появление ложных сигналов могут влиять другие генераторы РПУ, цифровые делители, импульсные источники питания и т. п. Детерминированные составляющие спектра сигнала генератора не относят к фазовому шуму. Их уровень указывают отдельно в децибелах относительно уровня несущей. К фазовому шуму относится только шум, порожденный случайным процессом q_n(t).

Фазовый шум обычно рассматривают в одной боковой полосе. Однополосный фазовый шум описывают относительной спектральной плотностью мощности шума, под которой понимают отношение мощности шума в полосе 1 Гц при отстройке Df от несущей к мощности на несущей частоте. Спектральную плотность мощности выражают в децибелах относительно мощности несущей на герц, дБ/Гц (в международных документах dBc/Hz). Спектральная плотность является непрерывной функцией отстройки по частоте. Спектральную плотность однополосного фазового шума часто представляют на графике с логарифмическими шкалами по осям координат. Пример такого представления изображен на рис. 9.9.

В спецификациях на генераторы и на радиоприемные устройства обычно указывают одно или несколько значений спектральной плотности шума при одной или нескольких значениях отстроек, соответственно.

Использование анализатора спектра – наиболее общий метод измерения фазового шума. Метод хорошо работает для малых отстроек, где уровни шума генератора много больше, чем собственный шум измерительного прибора. Для больших частотных отстроек, когда уровень собственного шума измерительного прибора приближается к уровню измеряемого фазового шума, используют методы, позволяющие учитывать вклад шума анализатора спектра в результаты измерений, фильтрацию несущей генератора и селективное усиление шума на частоте отстройки, представляющей интерес, фазовое детектирование, дискриминаторы на линиях задержки и др. [6], [7].

Фазовый шум играет важную роль не только в радиоприемных, но и в радиопередающих устройствах. Внеполосный фазовый шум генератора радиопередатчика усиливается последующими каскадами и выходным усилителем мощности и достигает уровней, которые могут эффективно подавлять работу радиоприемных устройств, работающих поблизости.

В радиоприемных устройствах фазовый шум гетеродина ограничивает максимальное отношение сигнал/шум, которое может быть достигнуто в приемнике частотно-модулированных сигналов, увеличивает вероятность ошибочного приема бита информации в цифровых системах передачи информации с фазовой манипуляцией [8]. Если сильные сигналы находятся вблизи частоты настройки приемника, то они могут вызывать блокирование смесителя РПУ, выражающееся в переносе шумов гетеродина в полосу пропускания приемника и увеличении его собственного шума. Это ограничивает способность приемника принимать слабые сигналы.