Технологии > Измерения
Измерения ФШ, метод ФАПЧ
rtty:
Решил выделить в отдельную тему.
Немного бекграунда, т.е. основ от известного западного инженера Charles Wenzel:
Low-Cost Phase Noise Measurment
https://www.quanticwenzel.com/library/time-frequency-articles/low-cost-phase-noise-measurement/
Копия статьи: http://www.ke5fx.com/Wenzel_Low_noise_amplifier_for_phase_noise_measurements.pdf
Метод калибровки предлагается какой-то заумный - по измерению phase slope.
Много непоняток...
Документ семинара фирмы HP об измерении шумов, про этот способ со стр.49 (или стр.45 -по оригинальной разметке сканированных листов) :
http://www.hparchive.com/seminar_notes/HP_PN_seminar.pdf
(документ 6.8МБ, если ссылка перестанет работать, искать в интернете по названию файла: HP_PN_seminar.pdf )
Среди наших р/л известным первопроходцем применения этого способа стал Олег Скидан UR3IQO.
Далее будет моя подборка из его постов со ссылками.
Так же некоторые схемы и документы прикреплю здесь, чтобы не потерялось.
Схема установки:
http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?5734-%D7%F2%EE-%EC%EE%E6%E5%F2-%E7%E2%F3%EA%EE%E2%E0%FF-%EA%E0%F0%F2%E0&p=1181254&viewfull=1#post1181254
Уточнение от sgk:
В обвязке ОУ AD797 резисторы 100 Ом и 10 Ом надо поменять местами (опечатка).
Опорный малошумящий генератор с подстройкой частоты, на 60МГц гармониковом кварце (VCXO):
http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?5734-%D7%F2%EE-%EC%EE%E6%E5%F2-%E7%E2%F3%EA%EE%E2%E0%FF-%EA%E0%F0%F2%E0&p=1181443&viewfull=1#post1181443
О принципе калибровки на -30dbFS звуковой карты:
http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?5734-%D7%F2%EE-%EC%EE%E6%E5%F2-%E7%E2%F3%EA%EE%E2%E0%FF-%EA%E0%F0%F2%E0&p=1181717&viewfull=1#post1181717
http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?5734-%D7%F2%EE-%EC%EE%E6%E5%F2-%E7%E2%F3%EA%EE%E2%E0%FF-%EA%E0%F0%F2%E0&p=1186492&viewfull=1#post1186492
http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?5734-%D7%F2%EE-%EC%EE%E6%E5%F2-%E7%E2%F3%EA%EE%E2%E0%FF-%EA%E0%F0%F2%E0&p=1191333&viewfull=1#post1191333
Различные результаты измерений:
http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?5734-%D7%F2%EE-%EC%EE%E6%E5%F2-%E7%E2%F3%EA%EE%E2%E0%FF-%EA%E0%F0%F2%E0&p=1186779&viewfull=1#post1186779
http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?5734-%D7%F2%EE-%EC%EE%E6%E5%F2-%E7%E2%F3%EA%EE%E2%E0%FF-%EA%E0%F0%F2%E0&p=1187365&viewfull=1#post1187365
http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?5734-%D7%F2%EE-%EC%EE%E6%E5%F2-%E7%E2%F3%EA%EE%E2%E0%FF-%EA%E0%F0%F2%E0&p=1187435&viewfull=1#post1187435
Другие ссылки, уточнения и опыт - приветствуются для публикации и обсуждения здесь.
sgk:
--- Цитата: rtty от Февраль 21, 2023, 10:19:34 pm --- уточнения и опыт - приветствуются для публикации и обсуждения здесь.
--- Конец цитаты ---
Уточним возможности метода по данным от Олега Скидана. Уровень сигнала (RF) по данным Олега -3 дБм. Ослабление в применяемом смесителе ADE -5 дБ в наилучшем случае. Уровень фазового шума в составе теплового шума идеального резистора 50 Ом - 177 дБм. Уровень шумов входного сигнала будет ослаблен на 5 дБ и равен - 3 дБм - 5 дБ = -8 дБм. ДД метода = -177 - (-8) = -169 дБ. Если что не так в оценке ДД метода по данным Олега, поправьте. Это ещё не учтены потери в фильтре и шумы усилителя.
Егм:
--- Цитата: rtty от Февраль 21, 2023, 10:19:34 pm ---Решил выделить в отдельную тему.
--- Конец цитаты ---
Спасибо !
UR3IQO:
Приветствую всех!
Думаю некоторые моменты требуют уточнения - важная информация по ссылкам носит фрагментарный характер и очень важная тема правильной калибровки полностью не раскрыта, как и некоторые важные нюансы. Попробую восполнить этот пробел.
Уровни сигналов
Очень важно правильно выставить уровни сигналов подаваемых на смеситель. Нужно заметить, что сигнал и гетеродин здесь достаточно условные понятия - можно тестовый сигнал использовать как гетеродин, а образцовый генератор как источник сигнала, или использовать два одинаковых генератора. Применительно к данной теме основная разница в уровнях этих двух сигналов.
Гетеродин. С гетеродином для смесителя все просто - подаем уровень на который рассчитан используемый смеситель или, при недостатке уровня, подаем сколько есть. Подавать намного больше, чем рассчитан смеситель не стоит, т.к. это может вызвать повышение уровня шума самого смесителя, и если очень очень постараться, то даже его физическое повреждение. Для указанного ADE-1 +7..10дБ вполне достаточно.
Сигнал. Уровень сигнала должен быть с одной стороны максимально возможным, но с другой для корректной работы простого метода калибровки смеситель должен работать в линейном режиме. Проверить это и, соответственно, установить правильный уровень сигнала очень легко:
- разрываете петлю ФАПЧ
- расстраиваете генераторы, чтобы видеть сигнал биений и его гармоники на анализаторе
- увеличиваете/уменьшаете уровень сигнала пока гармоники на анализаторе не будут ниже -30дБ относительно сигнала биений (основного тона).
Если гармоники будут иметь более высокий уровень, то описываемый простой метод калибровки не получится использовать, если гармоники будут ниже, значит есть запас по уровню сигнала и возможности измерителя (по ДД) не будут максимально использованы (хотя результаты измерений будут корректными).
Про калибровку
1. "Магические" 6дБ коррекции, присущие данному методу можно получить разными методами, самый простой и понятный вариант: смеситель в данной схеме работает как фазовый детектор, фазовый шум разных боковых полос будет коррелирован и боковые полосы сложатся по напряжению, что даст +6дБ, коррекция соответственно -6дБ.
2. Если генераторы одинаковые, то их шумы сложатся, но в этом случае они (шумы) независимые и некоррелированные, соответственно сложатся по мощности и дадут прибавку 3дБ, коррекция -3дБ. Если генераторы разные, то крайне желательно, чтобы шум образцового генератора был хотя бы на 10дБ ниже, чем у измеряемого, тогда никакие коррекции не нужны.
3. Как правило Ку LNA (AD979 в данной схеме) делается переключаемым - поменьше, чтобы в процессе калибровки вписаться в ДД звуковухи, и побольше, чтобы в процессе измерения, когда несущая будет подавлена ФАПЧ, исключить влияние шумов звуковухи. Разници в Ку также должна быть учтена. Коррекция будет -(Ку.макс - Ку.мин)
4. Оконная функция/размер БПФ - это коррекция на полосу пропускания анализатора. Дело в том, что конечный результат это спектральная плотность мощности шума (СПМШ, размерность дБн/Гц), т.е. мощность шума в полосе 1Гц относительно мощности несущей. Однако полоса анализатора обычно отличается от 1Гц, соответственно нужно добавить коррекцию. Мощность шума пропорциональна его полосе (в данном случае мы предполагаем равномерное распределение СПМШ по частоте в пределах полосы пропускания анализатора), значит коррекция -10*log10(RBW), где RBW это полоса пропускания анализатора, Гц. Полоса пропускания БПФ анализатора будет Fs/Nfft*NENBW, где Fs - частота дискретизации, Гц, Nfft - размер БПФ, NENBW - эквивалентная шумовая полоса использованной оконной функции, Гц. Итоговая формула -10*log10(Fs/Nfft*NENBW)
Итого требуемая коррекция:
-10*log10(Fs/Nfft*NENBW) - (Ку.макс - Ку.мин) - 6дБ если измеряемый генератор намного (более чем на 10дБ) шумнее образцового
-10*log10(Fs/Nfft*NENBW) - (Ку.макс - Ку.мин) - 9дБ если измеряются одинаковые генераторы
Вот теперь у нас есть почти все что нужно для того, чтобы представить простой план по подготовке установки к измерению и проведению калибровки.
План
1. Устанавливаем на анализаторе небольшое кол-во точек БПФ и FlatTop окно
2.. Собираем все, размыкаем кольцо ФАПЧ, перестройкой генераторов добиваемся наблюдения основного тона биения на анализаторе и, как минимум, второй и третьей гармоник.
3. Регулируя уровень сигнала добиваемся, чтобы максимальный уровень гармоник не превышал -30дБ
4. Устанавливаем шкалу анализатора так, чтобы уровень основного тона был равен вычисленной коррекции (если анализатор не позволяет это сделать, то можно посчитать вручную прибавив значение коррекции к измеренному шуму).
5. Замыкаем петлю ФАПЧ и переключаем усиление LNA (большое усиление)
6. Контролируем захват ФАПЧ (напряжение на выходе AD797 должно быть около 0).
7. Если есть захват, то устанавливаем удобные для наблюдения параметры БПФ (в соответствии с ними должна была быть посчитана коррекция в п.4) - можно наблюдать шум, делать замеры.
Про некоторые нюансы
1. ФАПЧ это замкнутая система регулирования, временные параметры которой также требуют внимания. Они зависят от параметров использованных генераторов (в первую очередь крутизны перестройки) и от цепей фильтра ФАПЧ (C1, R2, R3 в цепях "третьего" ОУ на схеме в первом сообщении). Полоса ФАПЧ должна быть многократно уже, чем минимальная отстройка на которой планируется делать замеры, иначе петля ФАПЧ будет влиять на замеры и они будут меньше, чем реальные значения. В моих замерах полоса была десятки Гц, иногда уже. Также от параметров петли зависит стабильность петли. Эти элементы можно рассчитать или подобрать (да, не особо научный метод, но для данного применения это возможно).
2. Данная схема позволяет измерять только фазовый шум (ФМ шум) генераторов, но для наших р/л применений важен суммарный шум. Обычно фазовый шум преобладает в генераторах, однако существует достаточно много моментов, которые могут привести к высокому амплитудному шуму (АМ шум). Померять его данной установкой не получится. Существенный уровень АМ шума часто наблюдается у DDS и на выходе ЦАПов (например, в различных SDR передатчиках).
UR3IQO:
Еще про кварцевый генератор. Приведенный на схеме генератор вскоре был заменен более простым и менее шумным, собранным на небуферизированной логике. Схема всем известная, требует чистого питания и некоторого подбора элементов (их номиналы зависят от частоты и параметров использованного резонатора, потому приводить их смысла нет). С питанием вопрос решается радикально использованием батареек или одного литиевого 18650 АКБ.
И, не совсем по теме, просто в качестве иллюстрации того как иногда AM и ФМ шум могут отличаться. Это выход ЦАПа с моего нынешнего радио (измерено самим радио :) + постобработка в MATLAB).
Навигация
Перейти к полной версии