Фазовые шумы генераторов и их измерение¶

Фазовые шумы генераторов — это случайные отклонения фазы выходного сигнала автогенератора (радиочастотного, СВЧ, кварцевого, лазерного) от идеально периодического закона изменения во времени. Наряду с амплитудными шумами они определяют спектральную чистоту сигнала и являются одним из ключевых параметров, ограничивающих точность радиолокации, связи, навигации, метрологии времени и частоты, а также когерентных оптических систем.

¶Физическая природа

Любой реальный генератор содержит активный элемент (транзистор, диод Ганна, лазерный активный элемент) и резонансную систему. Источники флуктуаций делятся на две группы:

• Аддитивные шумы — тепловой шум сопротивлений, дробовый шум, шум спонтанного излучения. Они складываются с полезным сигналом.
• Мультипликативные (фазовые) флуктуации — результат преобразования амплитудных флуктуаций в фазовые через нелинейность активного элемента, а также флуктуаций параметров резонатора (температура, вибрации, старение).

Вблизи несущей фаза меняется медленно, поэтому фазовые шумы проявляются как «размытие» спектральной линии и как случайная фазовая модуляция.

¶Спектральное описание

Основная характеристика — односторонняя спектральная плотность мощности фазовых флуктуаций L(f) (в дБн/Гц), определяемая как отношение мощности в полосе 1 Гц на отстройке f от несущей к мощности самой несущей. Типичная зависимость имеет несколько участков:

Ширину спектральной линии часто оценивают через интеграл от L(f), а для лазеров используют формулу Шавлова — Таунса.

¶Методы измерения

¶Прямой спектральный анализ

Сигнал подаётся на анализатор спектра, измеряется «юбка» линии вокруг несущей. Метод прост, но ограничен динамическим диапазоном и собственными шумами анализатора, поэтому применим лишь для больших уровней фазовых шумов.

¶Метод фазового детектора (дискриминатора)

Наиболее распространённый способ. Сигнал исследуемого генератора смешивается на фазовом детекторе с опорным сигналом той же частоты; продетектированная фазовая разность усиливается и анализируется. Для подавления амплитудных флуктуаций применяют ограничители. Разновидности:

• Метод с фазовой автоподстройкой частоты (PLL) — опорный генератор «подтягивается» к измеряемому, что позволяет использовать малошумящие опоры.
• Метод задержанной линии — сигнал сравнивается со своей задержанной копией; чувствительность зависит от задержки.
• Перекрёстная корреляция двух каналов — снижает требования к собственным шумам измерительной установки.

¶Цифровые методы

Сигнал оцифровывается АЦП, далее вычисляются флуктуации фазы через преобразование Гильберта или квадратурную демодуляцию, а спектр получают БПФ. Метод удобен для низких частот и автоматизации, но ограничен разрядностью и частотой дискретизации АЦП.

¶Измерение временных флуктуаций

Для генераторов и стандартов частоты используют параметры Аллана (дисперсия Аллана, девиация Аллана), связывающие фазовые шумы с нестабильностью частоты на различных интервалах усреднения.

¶Влияние и способы снижения

Фазовые шумы ограничивают:

• дальность и разрешение радиолокаторов (ухудшают доплеровскую селекцию);
• плотность каналов в системах связи с многопозиционной модуляцией;
• точность GPS/GNSS и квантовых стандартов частоты;
• когерентность в оптических линиях и интерферометрах.

Основные пути уменьшения: повышение добротности резонатора (кварц, диэлектрические резонаторы, оптические микрорезонаторы), выбор малошумящих активных элементов, стабилизация температуры и питания, применение схем фазовой автоподстройки к высокодобротному опорному генератору, охлаждение элементов.

¶Применение измерений

Результаты измерений фазовых шумов используются при сертификации генераторов, в разработке синтезаторов частот, при проектировании радиолокационных и связных систем, в метрологических лабораториях для сличения стандартов частоты и в квантовой оптике при оценке ширины линии лазеров.