Faz gürültüsü, özellikle iletişim sistemleri, radar, test ekipmanları ve sinyal işleme gibi alanlarda önemli bir parametredir. Faz gürültüsü, bir sinyalin frekans bileşeninin zaman içinde istikrarsızlık göstermesidir ve genellikle rastgele dalgalanmalara neden olur. Bu tür gürültüler, özellikle hassas ölçüm cihazlarında ve yüksek kaliteli sinyal iletimi gerektiren sistemlerde problem yaratabilir.
Bir RF veya mikrodalga sinyal jeneratörünün faz gürültüsü performansı, bir uygulamaya ne kadar iyi uyduğunu belirlemede kritik bir faktördür. Örneğin, faz gürültüsü performansı, Doppler radarları veya yazılım tanımlı radyolar (SDR'ler) gibi yüksek performanslı sistemlerin test edilmesinde çok önemlidir. Mükemmel faz gürültüsü özellikleri, osilatör ikamesi veya analogdan dijitale dönüştürücü (ADC) testi için bir sinyal üreteci kullanılırken de önemlidir.
RF veya mikrodalga sinyal jeneratörü, böyle uygulamalarda kullanılmak üzere değerlendirilirken, parazit, harmonikler, geniş bant gürültü, AM gürültüsü ve faz gürültüsü gibi birkaç performans faktörünün daha ayrıntılı bir şekilde incelenmesi önemlidir. Özellikle faz gürültüsü performansına bakıldığında, cihazın dahili mimarisinden ve bu mimarinin üzerine katmanlanan özellik ve kabiliyetlerden etkilenir. En yaygın mimariler, daha sonra incelenecek olan tek döngü ve çift döngüdür. Mevcut özellikler arasında dijital modülasyon yetenekleri, darbe yetenekleri ve çoklu ünite senkronizasyonu bulunur ve bunların varlığı faz gürültüsü performansını etkileyebilir.
Faz gürültüsü performansı, bir sinyal jeneratörünün hem tasarımında hem de değerlendirilmesinde taşıyıcı sinyalden çeşitli frekans uzaklıklarında maliyet, anahtarlama hızı ve optimizasyon gibi önemli özellikleri içerir. Çeşitli gereksinimleri karşılamak için bazı sinyal jeneratörleri iki veya daha fazla faz gürültüsü performansı seviyesi sunar (örneğin, standart ve isteğe bağlı özellikler). Diğerleri geniş veya dar ofsetlerde faz gürültüsü performansının optimizasyonuna izin verir. Diğerleri ise kullanıcının faz gürültüsü performansını seçici olarak düşürmesine ve test edilen cihaz (DUT) üzerindeki etkilerini gözlemlemesine izin verebilir.
Bu blogda faz gürültüsünün temelleri ele alınmaktadır ve ardından mimari seçimler ve çeşitli işlevsellik alternatiflerinin etkileri incelenmektedir.
Temel: stabilite ve gürültü
Faz gürültüsü ile ilgili her tartışma, genellikle bir sinyalin frekans kararlılığıyla ilgilidir. Bir osilatörün uzun vadeli kararlılığı saatler, günler, aylar veya hatta yıllarla tanımlanabilir. Kısa vadeli kararlılık ise birkaç saniye veya daha kısa süre içinde meydana gelen frekans değişikliklerini ifade eder. Bu kısa döngülü varyasyonlar, bir sinyalden daha fazla bilgi çıkarmak için aşırı işlemeye dayalı sistemleri önemli ölçüde etkiler. Bu nedenle, bu tartışma kısa vadeli kararlılığa odaklanacaktır.
Kısa vadeli kararlılık birçok şekilde tanımlanabilir, ancak tek yan bant (SSB) faz gürültüsü en yaygın olanıdır. ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) SSB faz gürültüsünü iki güç miktarının oranı olarak tanımlar: taşıyıcıdan belirli bir frekans uzaklığındaki güç yoğunluğu ve taşıyıcı sinyalin toplam gücü. Bu en yaygın olarak taşıyıcıdan “f” uzaklığındaki bir frekansta 1 Hz bant genişliğinde ölçülür ve birimler dBc/Hz veya “1 Hz bant genişliğinde taşıyıcı frekans gücünün altındaki desibel” şeklindedir.
Faz gürültüsü seviyesi, taşıyıcı frekansıyla deterministik olarak ilişkilidir (faz gürültüsü seviyesi, taşıyıcı frekans ile belirli bir orantı ile ilişkilidir. Yani, taşıyıcı frekans arttıkça faz gürültüsü seviyesi de belirli bir şekilde artar ve bu ilişki öngörülebilir (deterministik) bir şekilde gerçekleşir) ve frekans her iki katına çıktıkça 6 dB artar. Gelişmiş radar ve iletişim sistemlerine entegre edilen bileşenlerin performansını karakterize ederken, 1 GHz taşıyıcı için faz gürültüsü ölçümleri, yakın uzaklıklarda (1 Hz veya daha az) kabaca -40 dBc/Hz'den uzak uzaklıklarda (10 kHz veya daha fazla) -150 dBc/Hz'ye kadar uzanabilir. Bu ölçümler 8 GHz taşıyıcı frekansı ile yaklaşık 18 dB daha yüksek olacaktır. Bu kadar düşük seviyelerde, ölçüm gürültü tabanı iki mikroskobik elektronik etkiden etkilenir: pasif cihazlardan gelen, geniş ve düz olan termal gürültü (beyaz gürültü) ve aktif cihazlardan gelen, daha düşük ofsetlerde termal gürültüden ortaya çıkan 1/f şekline (pembe gürültü) sahip titreşim gürültüsü. Her iki etken de sinyal zinciri boyunca mevcut olduğu için kaçınılmazdır: ölçüm cihazında, test edilen sinyali (SUT) üreten cihazda ve hatta bu ikisini birbirine bağlayan kablolarda.
Bazen gözden kaçan bir başka gürültü kaynağı da sinyal zincirindeki herhangi bir amplifikatördür. Birincil amaç zayıf bir taşıyıcı sinyalin güç seviyesini artırmak olsa da, amplifikatör kendi gürültüsünü ekler ve herhangi bir giriş gürültüsünü artırır. Net etki, amplifikatör, termal ve titreşim gürültüsünün birleşerek herhangi bir faz gürültüsü grafiğine karakteristik bir şekil vermesi ve daha da önemlisi herhangi bir faz gürültüsü ölçümünün teorik alt sınırını azaltmasıdır (Şekil 1).
Şekil 1. Gürültüye katkıda bulunan üç ana unsur, faz gürültüsü ölçümleri için teorik bir alt sınır oluşturur.
Bu etkilerin tümü yüksek performanslı bir sinyal jeneratörünün faz gürültüsü özelliklerinde ortaya çıkar. Örneğin, altta yatan gürültü kaynakları cihaz blok diyagramının ana bölümlerinde izlenebilir (Şekil 2). Gürültü, 1 kHz'in altındaki ofsetler için referans osilatörün taşıyıcı frekansına kadar çarpılan performansından kaynaklanır. Diğer önemli katkıda bulunanlar ise 1 kHz ile yaklaşık 100 kHz arasındaki ofsetlerde sentezleyici, 100 kHz ile 2 MHz arasındaki itriyum-demir-garnet (YIG) osilatör ve 2 MHz üzerindeki ofsetlerde çıkış amplifikatörüdür. İyi anlaşıldığında, bu etkiler en aza indirilebilir ve maksimum performans sağlamak için bir sistem tasarımı içinde optimize edilebilir.
Faz gürültüsü ve frekans arasındaki ilişkiye bakıldığında, frekans arttıkça faz gürültüsü deterministik olarak artar. Bu durum özellikle sinyal jeneratörünün içinde veya dışında frekans çoğaltma teknikleri kullanıldığında geçerlidir. Frekans veya banttaki küçük değişiklikler genellikle gerçek ilişkiyi etkiler.
Şekil 2. Bir sinyal jeneratörünün faz gürültüsü performansına yapılan katkılar, dahili mimarisinin ana bölümlerine kadar izlenebilir.
Sinyal üreteci mimarileri (yapısal tasarımı ve çalışma prensipleri )
İki tür mimari yaygındır: tek döngülü ve çok döngülü faz kilitli döngüler (PLL'ler). Tek döngülü yaklaşım daha az karmaşıktır, bu da tasarımı ve optimizasyonu daha basit hale getirir. Aynı zamanda daha ucuz olma eğilimindedir, ancak bu daha düşük maliyet takas (tradeoff) da gerektirir. Yani, düşük maliyet avantajı, bazı performans kayıpları ile gelir. Bu durumda, faz gürültüsü performansı (phase noise performance) orta seviyelerde olur. Tek döngü sentezleyicileri, çok yüksek doğrulukta faz kontrolü sağlamazlar, bu da sinyalde bazı faz hatalarına yol açabilir. Özetle, tek döngü PLL'ler daha düşük maliyetli ve daha basit tasarıma sahip olup, faz gürültüsü performansı orta seviyededir, ancak komşu kanal güç oranı (ACPR) açısından çok iyi bir performans sergilerler. ACPR, bir sinyalin hedef kanalındaki gücünün, komşu kanallardaki güçle karşılaştırılmasıdır ve bu oran ne kadar yüksekse, sinyalin diğer kanallara verdiği parazit o kadar düşük olur.
Çoklu döngü tasarımları daha karmaşıktır ve bu nedenle tipik olarak daha pahalıdır. İlave elemanlar bir ince döngü(fine loop) , bir ofset veya adım döngüsü (offset or step loop) ve bir toplama döngüsü (summing loop) içerebilir, bu da daha düşük parazit seviyelerine ve faz gürültüsü performansında önemli iyileşmelere katkıda bulunur (Şekil 3). Eğer belirli döngü ayarlama kontrolleri kullanıcı tarafından erişilebilir hale getirilmişse, çoklu döngü sentezleyicisi, faz gürültüsü performansını belirli bir uygulamaya uygun şekilde optimize etme konusunda daha fazla esneklik sağlar. Özetle, çoklu döngü sentezleyicileri kullanıcıya daha fazla ayar esnekliği sunarak, faz gürültüsü performansını belirli bir uygulama için daha iyi uyacak şekilde optimize etmeye olanak tanır.
Şekil 3. Bu üçlü döngü mimarisi, Keysight PSG ve MXG sinyal jeneratörlerinde uygulandığı gibi faz gürültüsü performansını önemli ölçüde artırır.
Farklılıkları göstermek için Şekil 4'te üç Keysight X Serisi sinyal jeneratörünün faz gürültüsü grafikleri gösterilmektedir: EXG, standart MXG ve “geliştirilmiş düşük faz gürültüsü” seçeneğine (UNY) sahip MXG. Tek döngülü EXG ile çok döngülü MXG arasında, düşük faz gürültüsü seçeneği olsun ya da olmasın, performans açısından belirgin farklar vardır.
Şekil 4. Tek döngülü EXG birçok durum için uygun olsa da, çok döngülü MXG yüksek performanslı uygulamalar için önemli bir gelişme sunar.
Herhangi bir mimaride bir katman daha derinlemesine incelendiğinde, osilatör tipi de faz gürültüsü performansını etkileyebilir. Örneğin, voltaj kontrollü osilatör (VCO) kullanan sinyal jeneratörleri, sentezleyici bölümünde YIG osilatörü kullananlara göre genellikle daha kötü faz gürültüsü performansı sağlayacaktır (Şekil 5). Bunun bir değiş tokuşu vardır: YIG tabanlı sinyal jeneratörleri genellikle VCO tabanlı tasarımlardan daha yavaş anahtarlama hızları sağlar.
Şekil 5. Bir sinyal jeneratörü içinde, mimari ve osilatör tipi kombinasyonu genel faz gürültüsü miktarını ve faz gürültüsünün ofset ve frekansa karşı dağılımını etkiler.
Bir mimari unsurdan daha bahsetmek gerekir: dahili ya da harici referans kaynakları. Sinyal jeneratörü mimarisi içinde, frekans referansının gürültü performansı faz gürültüsünü önemli ölçüde etkiler. “Tasarımcının tercihi” başlığı altında, çoğu RF ve mikrodalga sinyal jeneratörü yüksek kaliteli bir dahili 10 MHz referans içerir ve bir seçenek olarak daha yüksek performanslı bir 10 MHz referans sunar. “Kullanıcının tercihi” alanında, çoğu sinyal jeneratörü bilinen, yüksek performanslı bir 10 MHz referans için harici bir giriş sağlar.
Bunu bir adım öteye taşıyarak, Keysight PSG sinyal jeneratörleri 1 GHz harici frekans referansını kabul eden bir giriş ile yapılandırılabilir (seçenek H1S). Bu modda PSG, dahili referans düzeneğini atlayarak 10 MHz'lik bir referans (dahili veya harici) kullanıldığında ek faz gürültüsünü ortadan kaldırır.
Sinyal jeneratörü özellikleri
RF ve mikrodalga sinyal jeneratörleri için farklı yetenek seviyeleri vardır. Temel seviyede, ilk seçim sürekli dalga (CW) veya analog sinyal jeneratörleri (analog modülasyon özellikli) ile vektör sinyal jeneratörleri (VSG'ler; analog ve vektör modülasyonu özellikli) arasındadır.
Bir laboratuvar ortamında “altın kaynağa” ihtiyaç duyanlar için, yüksek performanslı bir CW veya analog sinyal üreteci genellikle varsayılan seçimdir. Ancak, daha fazla işlevselliğe ihtiyacınız olduğunu varsayalım. Bu durumda, bir VSG vektör veya dijital modülasyon (örneğin, I ve Q modülasyon girişleri) içerir ve bazen Doppler radar sinyallerini simüle etmeye yardımcı olan darbe modülasyonu sunar.
Bir VSG, temel bant rastgele dalga biçimi oluşturma (AWG) özelliğine ve derin dahili dalga formu belleğine sahip olabilir. MXG vektör sinyal jeneratörü (N5182B) gibi bazıları karmaşık gerçek dünya sinyallerinin gerçek zamanlı simülasyonunu da destekler. Bu genellikle çeşitli uygulamaları desteklemek için Pathwave Signal Generation yazılımı gibi sinyal oluşturma yazılımlarıyla birlikte yapılır:
- Verizon Pre-5G, LTE/LTE-A-FDD/TDD dahil olmak üzere hücresel iletişim
- 32'ye kadar GPS ve GLONASS saha hattı uydusu ile GNSS
- Sürekli PN23 ile DVB-T/H veya iki saate kadar video oynatma
- AWGN veya 1024QAM gibi özel modülasyon
- AWGN ve faz gürültüsü bozulmaları
Sinyal jeneratöründeki çeşitli dijital özellikler faz gürültüsü performansını etkileyebilir. Olası etkileşimlerin özellikleri çeşitlilik gösterir ve karmaşık olabilir. Sonuç olarak, herhangi bir sinyal jeneratörü için ayrıntılı teknik özelliklere başvurmak ve performans seviyelerini tüm uygulama gereksinimlerinizle karşılaştırmak çok önemlidir.
Keysight Sinyal Jeneratörleri
Keysight'ın sinyal jeneratörleri faz gürültüsü, çıkış gücü, ACPR, hata vektörü büyüklüğü (EVM) ve bant genişliği açısından mükemmel performans sağlar. Keysight AP5001A ve AP5002A analog sinyal jeneratörleri, EXG N5171B analog sinyal jeneratörleri ve N5172B vektör sinyal jeneratörleri uygun maliyetli tek döngü sentezleyicilerdir. Yeni AP500xA taşınabilir sinyal jeneratörleri, kompakt bir boyutta mükemmel gürültü performansı (Şekil 6) sunar.
Şekil 6. AP500xA Faz Gürültüsü Dahili referans ile 10 dBm'de AP500xA Faz Gürültüsü Ölçümü.
Keysight N5181B analog sinyal jeneratörleri ve N5182B vektör sinyal jeneratörleri, mükemmel sahte ve faz gürültüsü performansı sağlamak için Şekil 3'te gösterilen üçlü döngü PLL mimarisini kullanır.
MXG'de, faz gürültüsünü iyileştirmenin anahtarlarından biri, üç döngülü topoloji için optimize edilmiş olan frekans planıdır. Frekans planı, birkaç özellikleri ele alır: osilatör ve referans frekanslarının sentezleyicinin toplam ve ofset döngülerindeki seçimi, ayrıca ilgili frekans dönüştürme (karıştırıcılar ve çarpanlar) ve filtreleme işlemleri.
Üçlü döngü yaklaşımı, doğrusal olmayan artefaktların (örneğin görüntüler) sentezleyici devrelerin bant genişliğinin dışına itilerek etkili bir şekilde filtrelenmesini sağlayan optimize edilmiş frekans aralığına olanak tanır. MXG'de plan, frekans referanslarını ve dönüşümleri, en büyük doğrusal olmayanlar istenen frekanslardan uzakta olacak şekilde düzenler ve mütevazı filtreleme, kalan sahte(parazit) sinyalleri büyük ölçüde zayıflatabilir. Büyük nonlineerliklerin taşınması aynı zamanda dahili sinyal seviyelerinin daha yükseğe ayarlanmasını sağlayarak nispeten daha düşük geniş bant gürültüsü ve gelişmiş dinamik aralık elde edilmesini sağlar.
Bu özellikleriyle MXG, ticari kablosuz iletişim, askeri iletişim ve radar gibi uygulamalarda artan parazit, veri çıkışı ve sinyal kalitesi gibi zorlukların üstesinden gelen bileşenlerin ve alıcıların geliştirilmesini destekler.
Örneğin, günümüzün havacılık/savunma ortamı, uzun mesafelerdeki zayıf sinyalleri tespit etmek için gelişmiş radar performansı gerektirmektedir. Bu tasarımları test etmek için gereken saf ve hassas sinyalleri sağlamak için MXG, gelişmiş düşük faz gürültüsü olan UNY seçeneğiyle 1 GHz'de ve 20 kHz ofsette -146 dBc/Hz kadar iyi faz gürültüsü performansı sunar. UNY seçeneği, spektral olarak saf sinyaller veya olağanüstü modülasyon doğruluğu gerektiren LO ikamesi veya engelleme sinyalleri gibi sinyal üretme uygulamaları için önerilir. Mikserler ve analog-dijital dönüştürücüler gibi radar bileşenleri geliştirenler için MXG ayrıca 1 GHz'de -96 dBc'lik sahte performansa sahiptir.
Sonuç
Faz gürültüsü performansı, bir sinyal jeneratörünün zorlu bir uygulama için uygunluğunu belirlemede genellikle kritik faktördür. Mümkün olan en iyi faz gürültüsü performansını elde etmek çeşitli faktörlere bağlıdır: dahili mimari, osilatör tipi, dahili ve harici frekans referansları ve ek yerleşik özelliklerin etkileri. Bu özelliklerle ilgili değiş tokuşlar arasında anahtarlama hızı, yakın veya uzak ofsetler için optimizasyon ve maliyet yer alır.
