Почему фазовый шум имеет решающее значение в системах связи

Фазовый шум можно обнаружить с помощью фазового детектора. Это означает, что в FM-приемнике будет больше слышимого шума, когда локальный генератор имеет фазовый шум, потому что фазовый шум демодулируется в FM-детекторе. Цифровые системы, которые полагаются на информацию о фазе, будут иметь более высокий уровень ошибок. Системы AM, использующие обнаружение огибающей, относительно нечувствительны к фазовому шуму. Если у передатчика есть фазовый шум, его спектр может расшириться больше, чем предполагалось, распространяясь на соседние каналы. Фазовый шум можно рассматривать как кратковременный дрейф. Генераторы LC старой школы с лампами имели ужасный долговременный дрейф, но хорошие характеристики фазового шума. Синтезаторы практически не имеют долговременного дрейфа, если референсный генератор хороший. Однако фазовый шум может быть очень плохим. Если ГУН получает шум на своем выводе управляющего напряжения, будет много фазового шума.

Для АЦП/ЦАП это вполне наглядно. Давайте попробуем сигнал (изображение из Википедии):

Точка при t=1 находится в части сигнала с высокой скоростью нарастания. Фазовый шум ваших часов — это концепция частотной области, которая соответствует джиттеру во временной области. Джиттер добавляет к моменту дискретизации временной шум.

Таким образом, здесь наш сигнал при t=1 имеет напряжение v и скорость нарастания dv/dt.

С «n» количеством шума во временной области (джиттера) момент выборки теперь равен t = 1 + n.

Таким образом, полученное значение теперь равно v + n dv/dt.

Другими словами , джиттер выборки вносит шум , который пропорционален произведению джиттера на скорость нарастания. Для быстрых АЦП с достаточным количеством разрядов производитель обычно поясняет в техническом описании, что спецификации будут выполнены только в том случае, если джиттер тактовых импульсов меньше определенного значения.

divB разместил этот график в комментариях, он довольно явный:

Это усугубляется тем фактом, что вы можете получить кварцевые генераторы с низким фазовым шумом только на «низких» (по сегодняшним меркам) частотах. Если вам нужен 1 ГГц, потребуется некоторое умножение PLL, и, как упоминает Тони Стюарт, это снижает фазовый шум. Интуитивное объяснение этого заключается в том, что PLL не может удалить джиттер во временной области исходных часов за пределами полосы пропускания фильтра, поэтому этот джиттер также присутствует на выходе, но он больше по сравнению с более коротким периодом более высокой частоты. выходной сигнал. Выраженное в терминах фазового шума, это дает уравнение, приведенное Тони.

Еще один: вот ваш оператор. Не обращайте внимания на легенду, это просто изображение из сети в качестве иллюстрации.

Скажем, вы получаете сигнал и умножаете его на несущую частоту, чтобы демодулировать его. Результирующий спектр представляет собой свертку спектра несущей и спектра принятого сигнала. Это означает, что два пика фазового шума на частоте +/- 100 кГц от несущей будут захватывать шум на этих частотах и ​​складывать его обратно поверх сигнала, который вам действительно нужен. Это ухудшает SNR, особенно при модуляции нескольких близких несущих.

Фазовый шум в дБ составляет 20 (log N) , когда частота умножается на N от Xtal до PLL f out.

• Например, получение сигнала с частотой 1 ГГц из сигнала с частотой 10 МГц увеличит фазовый шум на 40 дБ.

Даже если генератор с частотой 10 МГц имеет очень низкий уровень фазового шума, например, -175 дБн/Гц, самый низкий возможный уровень шума на частоте 1 ГГц составляет -135 дБн/Гц, даже до того, как будет учтен шум, добавленный умножителем или ФАПЧ. счет.

Более дешевый XO на 10 МГц при -125 дБн/Гц при смещении 10 кГц, умноженном на 40 дБ при повышении частоты до 1 ГГц, теоретически даст -85 дБн/Гц при смещении 10 кГц.

Как правило, TCXO имеют такой же фазовый шум, как и XO, использующие Xtals с AT-срезом, за исключением того, что они представляют собой детали с компенсацией температуры от 20 ppm до 1 ppm или от 50 ppm до 2 или 3 ppm в широком диапазоне температур.

Но OCXO используют кристаллы SC-огранки, которые имеют добротность 100k~1M, по сравнению с Xtals AT-огранки с Q=10k+, поэтому стабильность f также снижается с 20 ppm до 20 ppm.

Хотя вас интересуют особенности фазового шума, другим требованием, которому могут соответствовать OCXO или TXCO, является требование абсолютной погрешности частоты. Спутниковые линии связи для орбит LEO/MEO будут создавать доплеровский сдвиг из-за относительной скорости приемника и передатчика. поддержание точного опорного генератора с точки зрения смещения частоты PPM может помочь с бюджетом погрешности частоты.

Радиостанции безопасности, используемые пожарными и полицией, должны сотрудничать на месте происшествия. Это сотрудничество требует, чтобы фазовый шум передатчика не подавлял приемник другого пользователя; следовательно, требование -150dBc/rtHz при смещении 10KHz.

Если вы имеете в виду, что интегрированный фазовый шум в полосе пропускания 10 кГц составляет -150 дБн / rtHz, это, вероятно, требуется из-за умножения частоты от 10 МГц до 20 000 МГц (несущая 20 ГГц к / от спутников) с требованием (как в первом абзаце) чтобы не десенсибилизировать пользователей в соседних каналах.