Annons

Flera metoder för att mäta fasbrus

Richard Overdorf och Walt Schulte, Agilent Technologies beskriver här olika metoder för att mäta fasbrus från signalkällor. Fasbruset har oerhört stor betydelse i radiosystem, särskilt i smalbandiga system och i system med komplex modulation.

Processen att skilja signaler från brus är en utmaning för många ingenjörer som arbetar med RF- och mikrovågsteknik. De som arbetar med att utveckla senaste teknikens radar- och kommunikationssystem använder ofta extrema mängder av processer för att utvinna maximal information från obetydliga eller udda signaler.
Fasbrus är ofta den begränsande faktorn i mottagningssystem. Till exempel minskar fasbruset möjligheten till att bearbeta Dopplerinformation i ett pulsbaserat radarsystem och som degraderar EVM-prestanda (error vector magnitude) i digitalt modulerade kommunikationssystem.
Att mäta fasbrus kan oftast liknas vid att lägga pussel med många, udda bitar som är svåra att sammanfoga. Även med dagens avancerade hårdvara och förbättrade tekniker är det fortfarande något av ett mysterium att mäta och att sedan översätta resultaten. För att hjälpa till att lösa pusslet ger denna artikel en heuristisk översikt över grunderna för fasbrus innan vi beskriver tre av de vanligaste mätmetoderna och hur de genomförs.

Stabilitet och brus är grunden
Varje diskussion om fasbrus utgår från signalens frekvensstabilitet. Långtidsstabilitet, t ex hos en oscillator, kan kanske karakteriseras under timmar, dagar, månader eller till och med år. Korttidsstabilitet refererar till frekvensändringar som uppkommer under några få sekunder, eller mindre. Dessa kortvariga variationer har mycket större effekt på system som kräver extrem processbearbetning för att utvinna mer information från en signal. Av det skälet kommer denna diskussion att fokusera på korttidsstabilitet.
Korttidsstabilitet kan beskrivas på många sätt, men det vanligaste är som single-sidband-brus (SSB, enkelt sidband). NIST, US National Institute of Standards and Technology definierar SSB-fasbrus som förhållande mellan två effektmängder: effektdensiteten på en speciell offset från bärvågsfrekvensen och bärvågens totala effekt. Vanligvis används mätbandbredden 1 Hz på ett visst frekvensavstånd från bärvågen och enheterna är dBc/Hz eller ”decibel under bärvågens effekt mätt vid 1 Hz bandbredd”.
Nivån på fasbruset är deterministiskt relaterat till bärvågsfrekvensen och den ökar med 6 dB för varje frekvensdubbling. Resultatet blir att när man karakteriserar prestanda för komponenter är integrerade i avancerade radar- och kommunikationssystem kan det uppmätta fasbruset vid 1 GHz bärvåg sträcka sig från allt från -40 dBc nära bärvågen (1 Hz eller mindre) till -150 dBc/Hz långt från bärvågen (10 kHz eller mer).Vid så låga nivåer påverkas det uppmätta brusgolvet av två mikroskopiska elektriska effekter: Termiskt brus från passiva komponenter, vilket är brett och med en platt nivå (vitt brus), och fladderbrus från aktiva element vilket ger ett 1/f-brus (rosa brus) som härstammar från termiskt brus vid lägre offset. Båda dessa bidrar och är oundvikliga därför att de är förekommer längs hela signalkedjan: I mätinstrumentet, i de komponenter som finns i testobjektet och till och med i kablarna som förbinder dessa.
En annan ibland förbisedd bruskälla är varje typ av förstärkare i signalkedjan. Medan huvudsyftet är att öka effekten av en svag bärvåg lägger förstärkaren till sitt egenbrus och förstärker också inkommande brus. Nettoeffekten är att förstärkaren, termiskt brus och fladderbrus tillsammans ger en viss karakteristik hos fasbruset ock ännu värre: reducerar den teoretiska gränsen för varje fasbrusmätning. Se fig 1.

Fig 1. De tre huvudsakliga bidragen till brus skapar en teoretisk, lägre gräns för fasbrusmätningar.

Dessa effekter visar sig alla i fasbruskarakteristiken i signalegeneratorer med  höga prestanda. Till exempel kan de underliggande bruskällorna spåras tillbaka till olika huvuddelar i instrumentets blockschema. Se fig 2. För offset under 1 kHz domineras bruset av referensoscillatorns prestanda, vilken multipliceras upp till bärvågssignalen. De andra huvudsakliga bidragskällorna är syntetisatorn, vid 1 kHz upp till ungefär 100 kHz, YIG-oscillatorn (yttrium-iron-garnet) från 100 kHz till 2 MHz och slutförstärkaren på offset upp till 2 MHz. När dessa effekter väl har förståtts kan de minimeras och optimeras inom systemkonstruktionen för att säkerställa maximala prestanda.

Fig 2. Bidrag till fasbrusprestanda hos en signalgenerator kan spåras till den interna arkitekturens olika delar.

Tre slags mätningar
Fasbrustekniken har utvecklats parallellt med utvecklingen inom tekniker för spektrumanalys. Denna delen av artikeln fokuserar på tre metoder som sträcker sig från baskunskaper till medelhög komplexitet: direkta spektrummätningar, tekniker för fasdetektering och tvåkanals faskorrektion. Dessa sektioner som följer jämför mätmetoder som är mäktiga att implementera en eller flera av dessa metoder.

Direktspektrum-metoden

Sättet att direkt mät aspektrum är äldst och kanske den enklaste vägen att gå för att mäta fasbrus. Testobjektet kopplas helt enkelt till ingången hos en spektrum- eller signalanalysator som sedan stäms av till bärvågsfrekvensen. Som nästa åtgärd görs två mätningar: Bärvågseffekten och effektspektrum (power spectral density, PSD) hos oscillatorbruset vid en specificerad offset i referens till bärvågseffekten.
Så som ofta är fallet med ett enkelt sätt att närma sig problemet måste man göra att antal korrigeringar för att få ett noggrant resultat. Till exempel kan det bli nödvändigt att korrigera för bandbredden i analysatorns filter (Resolution BandWith filter, RBW). Dessutom kan det bli nödvändigt att även korrigera för hur analysatorns toppvärdeskännande detektor uppför sig vilken kan resultera i att för låg bruseffekt redovisas.
En gång i tiden var det nödvändigt att göra dessa korrigeringar manuellt och man hade stor hjälp av Agilents applikationsnot nr 150. Idag är dessa extra steg inte nödvändiga att ta när man använder en signalanalysator som är utrustad med antingen en markeringsfunktion för intervall-band/intervall-densitet (får PSD-mätning) eller en inbyggd mätapplikation för fasbrus.
Tid och erfarenhet har avslöjat de potentiella begränsningarna med denna metod. De flesta av dem härrör från begränsningar i kvalitet eller prestanda hos spektrumanalysatorn: rest-FM från analysatorns oscillator (LO), sidbandsbruset eller fasbruset från analysatorns LO och analysatorns brusgolv kan alla påverka resultatet. Dessutom mäter de flesta spektrumanalysatorer bara den skalära magnituden av testobjektets sidbandsbrus. Som resultat är analysatorn oförmögen att skilja mellan amplitudbrus och fasbrus. Slutligen kompliceras processen av behovet av att göra brusmätningar vid varje frekvens-offset som är intressant, och detta är en mycket tidsödande uppgift.

Tekniker för fasdetektor
En fasdetektor kan användas för att separera fasbrus från amplitudbrus. Så som visas i fig 3 omvandlar fasdetektorn fasskillnaden mellan två insignaler till spänning på detektorns utgång. När fasskillnaden ställs in för kvadratur (90° fasskillnad) kommer spänningen att vara noll. Varje fasändring från kvadratur kommer då att ge en motsvarande spänningsändring på utgången.
Detta koncept utgör grunden för många kommersiellt använda tekniker för fasbrusmätning. det finns tre särskilt intressanta tekniker: Metoden för referenskälla/faslåst slinga (PLL), frekvensdisktriminatormetoden och metoden för heterodyn digital diskriminator.


Fig 3. Detta grundläggande koncept för fasbrusdetektering kan implementeras på många olika sätt.
 

Referenskälla/PLL
En tillämpning av fasdetektortekniken, metoden med referenskälla/PLL, använder en dubbelbalanserad blandare som detektor. Insignalerna till denna är referenskälla och testobjekt. Se fig 4. Referenskällan styrs på sådant sätt att att den följer testobjektets bärvåg, men 90° förskjuten. För att säkerställa mätningarna av testobjektet måste fasbruset hos referenskällan antingen vara försumbart eller välkarakteriserat.


Fig 4. Denna metod använder en referenskälla och en dubbelbalanserad blandare som grund för fasdetektorn.

Blandarens summafrekvens tas bort med ett lågpassfilter och skillnadsfrekvensen är 0 Hz med medelspänning ut av 0 V (DC). Ovanpå toppen av DC-spänningen ligger varje AC-spänningsförändring och dessa är proportionella mot en kombination av bruset från de båda signalkällorna. Denna basbandssignal höjs ofta med en lågbrusförstärkare (LNA) innan den påförs spektrumanalysatorn.
Denna metod ger den bästa känsligheten och bredast möjliga mätområde med ett frekvensspann på 0,1 till 100 MHz. Den är också okänslig för AM-brus och medger användningen av signalkällor med tracking för att kompensera för frekvensdrift.
Men det finns två saker att tänka på: För det första måste referenskällan ha lågt fasbrus och dessutom vara elektriskt avstämbar. För det andra måste referenskällan kunna avstämmas över ett stort område om testobjektet har uppvisar stor frekvensdrift.

Frekvensdiskriminatormetoden

För att förenkla mätinstrumentuppkopplingen och mätprocessen eliminerar denna metod referenskällan tack vare en analog fördröjningsledning som substitut.


Fig 5. Genom att dela upp mätobjektets signal och påverka den med en fördröjningsledning och en fasskiftare elimineras behovet av en referenskälla.

Så som visas i fig 5 delas signalen från testobjektet upp i två kanaler. En av dessa fördröjs i jämförelse med den andra och fördröjningsledningen omvandlar frekvensvariationer till fasändringar. Justeringen av fördröjningstiden kommer att bestämma faskvadraturen hos de två ingångarna till blandaren. I nästa skede omvandlar fasdetektorn fasändringarna till spänningsvariationer som mäts som frekvensbrus med spektrumanalysatorn. Frekvensbruset omvandlas sedan för att avläsas som testobjektets fasbrus.
En nackdel med denna metod är minskningen av mätkänslighet, speciellt när det gäller frekvenser på små offsetavstånd från centerfrekvensen. En längre fördröjningsledning kommer att förbättra känsligheten, men kan minska signal/brusförhållandet och begränsa den maximalt mätbara offsetfrekvensen. Dessutom kommer de interna förlusterna i fördröjningsledningen att vara för stor för kunna överbryggas av testobjektets utnivå.
Som resultat arbetar denna metod bäst med frisvängande signalkällor, sådana som LC-oscillatorer och kavitetsavstämda oscillatorer. Dessa tenderar att resultera i brusiga signaler med ett höggradigt, långsamt fasbrus eller med sidband med höga spurioser vilka begränsar prestanda från PLL-tekniken.

Digital diskriminator enligt heterodynmetoden

Dagens teknologi gör det möjligt att ersätta fördröjningsledningen med en digital heterodynbaserad diskriminator. Enligt fig 6 blandas testobjektets signal ned till en mellanfrekvens (IF) med hjälp av eventuell blandare och frekvenslåst lokaloscillator. mellanfrekvenssignalen förstärks först och digitaliseras. Sedan delas den upp och fördröjs i det digitala planet med hjälp av en DSP (digital signalprocessor). Så som visas i den föreliggande metoden jämförs den fördröjda versionen av signalen  och jämförs med den icke fördröjda versionen genom att använda en digital blandare och fördröjningen justeras för att uppnå kvadratur. Blandarens utsignal filtreras för att ta bort summakomponenter och lämna kvar basbandskomponenter som kan processas för att ge ett fasbrusvärde.


Fig 6. Digitalteknik gör det möjligt att imitera uppförandet hos en digital fördröjningsledning och producera noggranna fasbrusmätningar.

Denna metod passar för att mäta på oscillatorer med relativt högt fasbrus och för ostabila signalkällor. Den ger ett större mätområde än PLL-metoden och eliminerar behovet av att återansluta de analoga fördröjningsledningar som används i frekvensdiskriminatormetoden. Genom att ställa in fördröjningstiden till noll erbjuder heterodynmetoden enkla och noggranna mätningar av AM-brus med samma uppställning och RF-anslutningar.
Till nackdelarna hör att mätningens dynamiska område begränsas av lågbrusförstärkaren och av A/D-omvandlarna. Nästa metod löser problemet.

2-kanals korskorrelering
Inne i mätinstrumentet använder detta tillvägagångssätt två duplicerade referenskälla/PLL-kanaler och beräknar korskorrelationen mellan de två resulterande utsignalerna. Se fig 7 nedan. Eftersom varje brus som mätobjektet uppvisar i de båda kanalerna är koherent påverkas inte det av korskompileringen. Däremot kommer varje brus som genereras i endera kanalen att vara icke-koherent att reduceras genom korskorrelationen med kvadratroten av antalet korrelationer.


Fig 7. Tekniken för 2-kanals korskorrelation bygger på två fasdetektorer.

Antalet korrelationer utgör en nyckelfaktor för den totala mättiden. I ett typiskt instrument väljs antalet korelationer av användaren. Genom att öka antalet korrelationer minskas brusbidraget från båda kanalerna (tab 1) medan den totala mättiden ökar.


Tabell 1. Ökande antal korskorrelationer kommer att minska nivån på icke korrelerat brus.

Eftersom 2-kanaltekniken minskar mätbruset ger den överlägsen mätkänslighet och eftersom den bygger på DSP-möjligheter ökar den känsligheten utan att det krävs exceptionella prestanda av själva mätinstrumentets hårdvara. Metoden ger ett högre dynamiskt område än den digitala diskriminatormetod som beskrevs ovan.
Med dessa fördelar är valet av metoden för korskorrelering exceptionellt bra för att karaktärisera frisvängande oscillatorer. En generell iakttagelse är att den ger utmärkta fasbrusegenskaper när man mäter olika typer av signalkällor och oscillatorer.

Olika metoder i jämförelse
För närvarande omfattar möjliga lösningar generellt användbara spektrumanalysatorer, specialinstrument och PC-baserade modulsystem. De stora skillnaderna handlar om möjligheter, flexibilitet och prestanda, vilket påverkar vilken minimal och maximal offset-frekvens som lösningen kan uppnå.
Att använda en vanlig spektrumanalysator, som utrustats optimalt för fasbrusmätningar, är ett sätt att direkt kunna se spektrum. I de flesta fall kommer denna lösning att automatiskt utföra bärvågs- och brusmätningar för att sedan påföras nödvändiga korrektionsfaktorer. Resultatet kan publiceras både som en fasbruskurva (dBc/Hz som funktion av logaritmisk frekvens) och som en tabell av fasbrusvärden vid specifika offsetfrekvenser. Denna lösning fungerar typiskt bra med offsetvärden så nära som 10 Hz eller 100 Hz och så långt ut som 10 MHz.
För att implementera mera komplexa metoder för fasdetektering eller korskorrelation behövs det typiskt en dedicerad fristående lösning, eller en moduluppbyggd lösning. Tag som exempel en så kallad ”signal-source analyzer” (SSA) som är en specialiserad, fristående apparat som konstruerats för mätningar av fasbrus eller för karakterisering av andra källor. åtminstone en SSA innehåller en lågbrusig referenskälla, med extremt lågt brusgolv och de DSP-funktioner som behövs för att implementera metoden för digital heterodyn-diskriminator och tekniken för 2-kanals korskorrelation.  Sådana instrument passar väl vid offsetmätningar så nära som 1 Hz eller så höga som 1 GHz. Dessutom betyder dedicerade funktioner ofta att handhavandet är enkelt liksom inställningar och kalibrering.
Vissa PC-baserade lösningar kan konfigureras för att implementera fasdetektortekniker sådan som metoden för referenskälla/PLL eller metoden för frekvensdiskriminator med analog fördröjningsledning. I konfigurationen för referenskälla/PLL har denna typ av lösning ofta de prestanda och de möjligheter som behövs för att mäta väldigt lågt fasbrus vid så låga offset som 0,01 Hz när de används med en högpresterande lokaloscillator. I frekvensdiskriminatormod kan systemet mäta mycket låga fasbrusnivåer på frekvenser på stort offset. Nackdelen med denna mångsidiga lösning är: Inställningar och kalibrering är mer komplicerade än för SSA- eller signalanalysatorbaserade lösningar.

Utvärdering av en hembyggd lösning

En kalibrerad fasbrussignal kan användas för att verifiera en testuppsättning. Exempelvis är en välkänd referens speciellt värdefull när man för direkt-spektrum utvecklar en lösning som innefattar egenutvecklad programvara som tillämpar nödvändig korrektion. Det tillvägagångssätt som beskrivs här kan tillämpas på alla typer av metoder för mätning av fasbrus.
En tillförlitlig testsignal kan skapas genom att använda likformigt brus som får frekvensmodulera en signalgenerator. Lutningen på sidbandsbruset kommer konstant att uppvisa -20 dB per dekad. Den önskade sidbandsnivån kan uppnås genom att variera deviationen av den frekvensmodulerade signalen.
Exemplet i fig 8 togs fram med en likformig brussignalfrekvens som modulerades med 500 Hz hastighet. Detta producerade en brusnivå av -100 dBc/Hz vid 10 kHz offset.


Fig 8. Denna likformiga testsignal kan användas för att verifiera prestanda hos en hembyggd lösning för mätning av fasbrus.

Fasbrus är ett av de viktigaste mätetalen för en komponent som genererar RF- eller mikrovågssignaler. Denna komponents natur hjälper oss att bestämma vilken metod eller lösning som bäst passar för att noggrant mäta fasbrus.
De metoder och lösningar som har presenterats här tillhör de enklaste och mest kostnadseffektiva implementeringarna. Och med dessa ansatser kan visserligen ingenjörer som inte är specialist på fasbrus uppnå utmärkta resultat, även om en expert kan hjälpa till att översätta resultaten, vilket ibland kan bli ganska omständligt.

 

Comments are closed.