Амплитудные и фазовые шумы Опции

[Undertaker]

Добрый день, хочу немного затронуть вопрос из области фундаментально-прикладной науки.
Не так давно пришлось столкнуться с измерением амплитудных шумов (AM noise) и фазовых шумов (Phase noise) выходного сигнала, а так же вносимых фазовых шумов (additive/redusal phase noise) усилителей.
Информации по вопросу измерения фазовых и вносимых фазовых шумов довольно много, как на нашем, так и на английском языках, так же как и измерительных приборов на рынке. Однако информации по измерению амплитудных, а тем более вносимых амплитудных (существует ли такое понятие вообще ?) крайне мало, а вопросы мои касаются именно их.
Вопросы у меня следующие:
1) От чего зависят амплитудные шумы сигнала, как они поражаются и какие способы борьбы с ними ?
2) Справедливо ли понятие вносимых амплитудных шумов с научной точки зрения и как их измерить ? На сколько я понял ни один из существующих измерительных приборов на рынке (даже самых дорогих) не предполагает такого измерения.
3) Есть ли разница между фазовыми и частотными шумами ?
Заранее большое спасибо, т.к. почему то сложилось такое ощущение, что наука измерения шумов передающих систем это что-то тайное и только для посвященных

[V_G]

Собственные шумы приборов и амплитудные и фазовые одновременно, тут разделить нет возможности.
Чисто амплитудный шум (он же - паразитная АМ) порождается шумами в цепях, определяющих коэффициент усиления (шумы питания выходного каскада передатчика, шумы цепей АРУ и т.п.). В этом случае борьба понятна: уменьшать шумы в цепях, задающих усиление.
Принцип измерения чисто амплитудных шумов тогда тоже понятен: подаем на усилитель рабочий сигнал без АМ, подключаем к выходу амплитудный детектор и далее - спектроанализатор/шумомер.
Особой разницы между амплитудными и фазовыми шумами я не вижу, т.к. частота - производная от фазы. Соответственно спектр шума, понимаемого как частотный, будет приподнят в ВЧ части относительно того же шума, понимаемого как фазовый.

[Undertaker]

Принцип измерения чисто амплитудных шумов тогда тоже понятен: подаем на усилитель рабочий сигнал без АМ, подключаем к выходу амплитудный детектор и далее - спектроанализатор/шумомер.

Спасибо за ответ, согласен в какой-то степени, однако формирователи входного сигнала для этого измерения в любом случае будут иметь какую-то паразитную АМ ( т.к. тоже имеют питание и выходные цепи), пускай даже с плотностью мощности много меньше минус 100дБ/Гц относительно мощности несущей. Хотелось бы определить именно вносимую усилителем составляющую АМ в выходной сигнал. Особняком стоит случай когда в качестве исследуемого усилителя используется усилитель-ограничитель с большой компрессией, тогда потенциально можно получить сигнал на выходе имеющий амплитудные шумы меньше чем на входе, думаю в этом и кроется суть неоднозначности измерения "вносимых" амплитудных шумов.
Поясню, что речь идет о измерении величин с плотностью мощности порядка минус 110-140 дБ/Гц относительно мощности несущей.

[Hale]

.чушь на болльную голову, думал об одном, писал о другом.

Сообщение отредактировал Hale - Mar 16 2017, 23:55

[vladec]

Если имеется какая то регулируемая линия задержки, то по "рабоче-крестьянски" можно попробовать оценить уровень шумов исследуемого блока или участка цепи вычитанием входного сигнала пропущенного через задержку из выходного, подстраивая усиление и задержку на минимум разностного сигнала. Этот разностный сигнал и будет шумом.

[rloc]

почему то сложилось такое ощущение, что наука измерения шумов передающих систем это что-то тайное и только для посвященных

Есть измерительный комплекс E5505A:

The Keysight Technologies E5500 Series of phase noise measurement solutions offers the most flexible set of measurements on one-port VCOs, DROs, crystal oscillators and synthesizers. Two-port devices, including amplifiers and converters, plus CW, pulsed and spurious signals can also be measured. The E5500 measurements include absolute and residual phase noises, AM noise, and low-level spurious signals. The stand-alone instrument architecture easily configures for various measurement techniques, including the PLL/reference source technique, residual and FM discriminator methods.

R&S также может предложить измерение вносимых шумов (FSWP):

The R&S®FSWP offers an internal signal source (R&S®FSWP-B64 option) for measuring additive phase noise. Amplifiers, doublers, splitters and other two‑port components cause additive phase noise even though they do not generate a signal. When developing high‑end radar applications, for instance, it is vital to know how much phase noise these individual components as well as the local oscillator are adding to the signal. Only then is it possible to develop extremely low‑noise transmitters.

Simultaneous measurement of amplitude noise and phase noise

И смотря какие отстройки нужны, есть много приборов, измеряющих коэффициент шума - тот же шумомер, но измеряющий суммарный вносимый AM+PM noise.

[Undertaker]

Есть измерительный комплекс E5505A
R&S также может предложить измерение вносимых шумов (FSWP)

В принципе я косвенно уже упомянул эти приборы, в качестве измерения параметров 2-ух портовых устройств в них подразумевается измерение только вносимых фазовых шумов.

Если имеется какая то регулируемая линия задержки, то по "рабоче-крестьянски" можно попробовать оценить уровень шумов исследуемого блока или участка цепи вычитанием входного сигнала пропущенного через задержку из выходного, подстраивая усиление и задержку на минимум разностного сигнала. Этот разностный сигнал и будет шумом.

Об этом я тоже уже думал, и возможно в каких-то случаях его вполне можно использовать, но что будет результатом такого измерения если вернуться к случаю когда в качестве тестируемого прибора используется усилитель-ограничитель ? Это на мой взгляд, довольно схоже с измерением вносимых(разностных) фазовых шумов, только там из-за принципиальной невозможности уменьшения этого типа флуктуаций итогом вычитания одного из другого всегда будут именно вносимые усилителем составляющие.
И да, если все так легко, то почему американцы и немцы, которые на этом собаку съели, не додумались до такого простого решения и не впихнули его в свои измерительные коробки стоимостью в десятки миллионов рублей ?

[Hale]

.

Сообщение отредактировал Hale - Mar 16 2017, 23:53

[vladec]

И да, если все так легко, то почему американцы и немцы, которые на этом собаку съели, не додумались до такого простого решения и не впихнули его в свои измерительные коробки стоимостью в десятки миллионов рублей ?

Я слышал, что Аджилент в каком то из своих приборов для измерения фазовых шумов использовал этот метод, но большей конкретикой не владею.

[vhk]

И да, если все так легко, то почему американцы и немцы, которые на этом собаку съели, не додумались до такого простого решения и не впихнули его в свои измерительные коробки стоимостью в десятки миллионов рублей ?

Измерения ФШ и АШ с линией задержки были популярны в 70-е 80-е годы. В качестве линии задержки обычно бухта кабеля. Приборы на этом методе были вытеснены много более компактными и универсальными типа Agilent E5052B о которых написали ранее.
Если у вас нет средств "десятки миллионов", то на заданных частотах и полосах можно измерять ФШ и АШ по методике
http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?5...ll=1#post799093

[Undertaker]

Может кто-нибудь может подсказать какой-то заграничный форум где будет уместен вопрос по поводу теории измерения амплитудных шумов? К сожалению, даже работники местных представительств производителей измерительной техники не могут сказать ничего внятного, да они в принципе и не обязаны.

[rloc]

В FSWP схема измерения добавочных шумов с опцией B64 выглядит так

Похоже на то, что измеряют амплитуду/фазу внешнего генератора и вычитают (или перемножают для ФШ) из выходного сигнала усилителя, в цифре с учетом задержки. Но надо спросить о более подробной схеме у производителя, нигде не нашел описания входов LO Aux и как они коммутируются внутри. Полагаю делают измерения с преселектором для основной гармоники.

[VCO]

А у меня вообще есть сомнения, что ничтожно-мизерные вносимые АШ можно измерить.

[Corner]

А у меня вообще есть сомнения, что ничтожно-мизерные вносимые АШ можно измерить.

Можно. Меряют, как описано в постах выше - с помощью линии задержки. Хотя, точность измерений не лучше 25%.

Может кто-нибудь может подсказать какой-то заграничный форум где будет уместен вопрос по поводу теории измерения амплитудных шумов? К сожалению, даже работники местных представительств производителей измерительной техники не могут сказать ничего внятного, да они в принципе и не обязаны.

Они ни в зуб ногой. Их тренировали впаривать за деньги. Теории никто из них не знает и внятно объяснить, как работает прибор, не может.

[vhk]

Можно увидеть фазовые и амплитудные шумы усилителя. На рисунке записаны АШ и ФШ с выхода усилителя на ОУ AD8099. Входное сопротивление 50 Ом, выход нагружен на смеситель со входным 50 Ом.
Усиление 14 дБ, на входе сигнал кварцевого генератора 13 МГц. Был случай когда АШ превысили ФШ на 5-7 дБ, итсточником повышенного АШ оказался подстроечный резистор в цепи обратной связи.

[khach]

Вообще то на векторной диаграмме фазовых модуляций хорошо видно разделение амплитудный и фазовых шумов. Фазовые- это " по кругу" а амплитудные- "по радиусу" Достаточно построить гистограммы сечений точки созвездия в двух плоскостях.

[rloc]

На рисунке записаны АШ и ФШ с выхода усилителя на ОУ AD8099.

За вычетом входных?

[vhk]

За вычетом входных?

Нет. Это измерение АШ и ФШ по очереди на выходе ОУ. Форма сигнала меандр. Ранее было высказано суждение

Собственные шумы приборов и амплитудные и фазовые одновременно, тут разделить нет возможности.

"разделить" и измерить АШ и ФШ есть возможность.

[VCO]

"разделить" и измерить АШ и ФШ есть возможность.

А что, звуковая карта не вносит АШ? Или VNA не вносит? Спектроаеализатор не вносит АШ - вот уж не поверю!
Речь идёт об очень низких АШ, если я внимательно читал. Потому и сомневаюсь в возможности таких измерений.

[vhk]

А что, звуковая карта не вносит АШ? Или VNA не вносит? Спектроаеализатор не вносит АШ - вот уж не поверю!

Всё вносит шумы, даже резистор.

Речь идёт об очень низких АШ, если я внимательно читал. Потому и сомневаюсь в возможности таких измерений.

Низкие АШ, это сколько? Автор темы написал:

Поясню, что речь идет о измерении величин с плотностью мощности порядка минус 110-140 дБ/Гц относительно мощности несущей.

Уровни АШ -110 -140 дБ/Гц от уровня несущей можно измерять по предлагаемой методике. Собственные шумы -160 дБн/Гц. На рисунках АШ генератора на небуферизованной логике и генератора по схеме емкостной трёхточки на биполярном транзисторе в сравнении. АШ и ФШ генератора на биполярном транзисторе. Можно "осознанно" настраивать генераторы (другие устройства) контролируя уровни АШ и ФШ. Уровень АШ о котором написал автор темы можно измерять, что представлено на спектрах. Форма сигнала синус.

[ledum]

Немного про измерение аш и фш в описалове на серийный минский измеритель ИФ-1603СА. http://dropmefiles.com/e6kEI - полежит 14 дней. Где-то лежит еще живое описалово на ИФ-1103СА (не сканил), но отличается упрощением. И чоб их отдельно не мерять, когда они ортогональны?

Сообщение отредактировал ledum - Mar 20 2017, 09:46

[rloc]

И чоб их отдельно не мерять, когда они ортогональны?

Прошу уточнить, о чем речь.

[ledum]

http://www.wenzel.com/documents/noise.html

[VCO]

Всё пока что не то!
А что именно, спрОсите вы? Да то, что при измерении ФШ есть эталон, при измерении АШ я его не увидел.
Ну тупой я, не верю нАслово! "Мамойклянусь" не пронимает

Я пОнял, что идёт упор на косвенные измерения, но не вижу никаких существенных оснований для них.

[vhk]

А что именно, спрОсите вы? Да то, что при измерении ФШ есть эталон, при измерении АШ я его не увидел.

Где эталон фазового шума?

[rloc]

По фазовому шуму слышал, для калибровки используют генераторы с частотной модуляцией, на вход которых подают псевдослучайный сигнал с равномерным распределением. Спектральная плотность фазового шума в этом случае имеет наклон 20 дБ/дек и нормированное значение при смещении от несущей, а шириной полосы модуляции добиваются сдвига этого наклона, как правило с шагом 10 дБ по вертикальной оси.

[khach]

Где эталон фазового шума?

Хранится по соседству с эталоном полуширины спектральной линии.
А если серьезно- то R&S для FSWP сделал неплохую аппноту "Measurement Uncertainty Analysis
and Traceability for Phase Noise" https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downlo...ty_analysis.pdf

[Hale]

Спектроаеализатор не вносит АШ - вот уж не поверю!

конечно вносит. и это есть шум измерительного прибора. и в поверенном приборе он записан в паспорте, а на жопе выставлена дата поверки, иногда даже с химическим индикатором, чтобы хитрые инженеры не баловали. это для того чтобы все могли внести поправку на собственный шум прибора. ну напирмер, подставляется как фактор R в фильре Калмана. Как было сказано, иногда АШ может превышать фазовый. Т.к. АШ это преимущественно тепловой шум в резистивных цепях. А фазовый - преимущественно дробовый шум в усилителях, и ему свойственно наличие АЧХ. В синтехаторах Агилента, это довольно ровный спад от частоты с одной, или двумя ступеньками, иногда с небольшим заборчиком, или пилой. В ламповых приборах в этом месте может быть вообще провал на несколько децибелл, зато чуть подальше от частоты будет ровненький почти гауссовский горб ФШ. Ну вот там, ближе к частоте генератора, где этот горб спадает, как я понимаю, как раз АШ видимо преобладает. Но замерять мне его не удалось т.к. ничего калиброванного по АШ не имели в лабе. Зато на конфах я видел, как АШ меряли при помощи калиброванных источников шума на спектроанализаторах с сответствующими опц.программами.

А если серьезно- то R&S для FSWP сделал неплохую аппноту

спасибо. основательная апнота. в следующий раз когда ко мне с этим пристанут, буду знать куда отсправить %)

Сообщение отредактировал Hale - Mar 21 2017, 00:28

[rloc]

Да то, что при измерении ФШ есть эталон, при измерении АШ я его не увидел.

По-большому счету, в случае измерилки vhk, калибровка не нужна. Вся его система, смеситель + АЦП, обладает ультра высокой линейностью, и измерения делаются без переключения диапазонов по амплитуде и частоте. Достаточно одной точки отсчета - уровеня несущей, все остальные уровни гарантированны линейностью. Оцифровку данных vhk делает на промежуточной частоте, значит есть полноценное деление на квадратуры и точное знание амплитуды и фазы. Практически идеальный вариант при наличии хорошего опорного источника со смещением по частоте около 20 кГц. В E5052 калибровка обязательно нужна: полоса частот отстроек делится на диапазоны со своей нормировкой - эта надо обязательно проверять, чтобы сшивка не разошлась. Очень кстати часто в E5052 на стыке границ видна ступенька. И высокая чувствительность куда важнее кросскорреляций, за время которых частота может уйти.

[vhk]

А если серьезно- то R&S для FSWP сделал неплохую аппноту

Если серьёзно, то в РФ нет Гос. эталона ФШ и АШ. В методике поверки от R&S для FSWP ссылки на "
metrology institute NIST (USA)".
khach
Может у вас есть ссылка на методику поверки АШ?

[khach]

Может у вас есть ссылка на методику поверки АШ?

Ну там же в конце родешварцевской аппонты есть прямой линк в списке литературы. Старый, ламповый как г мамонта Tn190.pdf http://tf.nist.gov/general/tn1337/Tn190.pdf
А в аппноте в районе 30 траницы как раз показано влияние АМ шумов на векторной диаграмме.
Скажем так, в реальных устройствах правильно спроектированных AM обычно можно пренебречь. Они вылазят при косяках типа самовобуждение цепей автоматической регулировки амплитуды, наводок по питанию и подобных проблем. И обычно в таком виде, что прекрасно видны на осциллографе в режиме векторного анализатора сигнала или на гистограммах глазковой диаграммы. Т.е динамика сравнима с динамикой осциллографа в 40-50 дб.
С другой сторны именно метрологическим обеспечением измерений АШ заниматься не приходилось, так что с удовольствием послушаю более умных коллег.

Немного про измерение аш и фш в описалове на серийный минский измеритель ИФ-1603СА

а можно фотосессию СВЧ части этого анализатора сделать? Ищу методу измерения ФШ на частотах выше 100 ГГц. К сожалению в R&S FSWP отказались от опции B21 ( frequency extender) реализовали ее только в FSW
Можно по мотивам ИФ-1603СА собрать анализатор на субмиллметровые волны?

[Skandalli]

Такой вопрос относительно фазовых шумов, которые вносит усилитель. Т.е. есть VCO, сигнал с него усиливаем и смотрим на анализаторе с функцией измерения ФШ/подаем на смеситель/еще куда-то.
Озаботившись вопросом, нашел статью, в которой буржуи пишут, что усилитель, который сидит в насыщении вносит ФШ. Так вот вопрос, это действительно так? Кто-то проверял? Если это так, то о каких уровнях шумов идет речь (-150, -130, -90)?

[khach]

что усилитель, который сидит в насыщении вносит ФШ.

Зависит от конструкции усилителя. В общем виде измерять надо. Обычно двухканальным кросскоррелятором, включая измеряемое устройство в одно из плеч.
http://www.analog.com/en/analog-dialogue/a...easurement.html
https://www.microsemi.com/document-portal/d...low-phase-noise
Вот только большинство ФШ-метров такого режима измерений не имеют, разве что holzworth со своими HA7062C Real Time Phase Noise Analyzer

[Skandalli]

Зависит от конструкции усилителя. В общем виде измерять надо. Обычно двухканальным кросскоррелятором, включая измеряемое устройство в одно из плеч.
http://www.analog.com/en/analog-dialogue/a...easurement.html
https://www.microsemi.com/document-portal/d...low-phase-noise
Вот только большинство ФШ-метров такого режима измерений не имеют, разве что holzworth со своими HA7062C Real Time Phase Noise Analyzer

А если мы берем сигнал с генератора, смотрим ФШ на отстройках (например, 1k, 10k, 100k), далее подпаиваем усилитель и вновь смотрим шумы на выходе усилителя, посмотрели, увеличили сигнал с генератора, посмотрели, увеличили и так, пока не загнали усилок в компрессию?

[ledum]

а можно фотосессию СВЧ части этого анализатора сделать?
Можно по мотивам ИФ-1603СА собрать анализатор на субмиллметровые волны?

Я с Радиоизмерителя, где в огромном количестве стояли эти чудеса из-за ошибки метролога по серийности изделия, шумы которого планировалось мерять, уволился в 1994г, но свои экземпляры описалова забрал. Так что вряд ли. Хотя, в апреле намечается годовщина предприятия, и если попаду - поговорю с метрологами. Приборы еще остались. 1603 ЕМНИП был верхним в линейке. Все остальные - ниже по частоте. Калибровка занимала часа 2 - песня со всеми ожиданиями прогревов. Частота сигнала, который надо было обмерять, успевала уйти эпически.

[rloc]

нашел статью, в которой буржуи пишут, что усилитель, который сидит в насыщении вносит ФШ.

Не всегда. С полевыми транзисторами этот эффект не наблюдается, у биполярных есть так называемый "эффект памяти" (рассасывания носителей), который может приводить к увеличению ФШ. Если усилитель спроектирован грамотно, то транзисторы практически не входят в насыщение, даже когда усилитель в ограничении. Рост ФШ при ограничении не может быть катастрофическим (скажем не более 10 дБ). Чаще наблюдаю рост ФШ в усилителях класса C, где и отсечка есть и ограничение с насыщением.

[Dr.Drew]

Ищу методу измерения ФШ на частотах выше 100 ГГц. К сожалению в R&S FSWP отказались от опции B21 ( frequency extender) реализовали ее только в FSW
Можно по мотивам ИФ-1603СА собрать анализатор на субмиллметровые волны?

Есть же гармонические смесители до 110 ГГц у Агилента

Озаботившись вопросом, нашел статью, в которой буржуи пишут, что усилитель, который сидит в насыщении вносит ФШ. Так вот вопрос, это действительно так? Кто-то проверял? Если это так, то о каких уровнях шумов идет речь (-150, -130, -90)?

Не всегда. С полевыми транзисторами этот эффект не наблюдается, у биполярных есть так называемый "эффект памяти" (рассасывания носителей), который может приводить к увеличению ФШ. Если усилитель спроектирован грамотно, то транзисторы практически не входят в насыщение, даже когда усилитель в ограничении. Рост ФШ при ограничении не может быть катастрофическим (скажем не более 10 дБ). Чаще наблюдаю рост ФШ в усилителях класса C, где и отсечка есть и ограничение с насыщением.

А они все вносят. Иначе не было бы плясок с резонаторами ради снижения шумов. На отстройке 1 Гц от несущей биполярные усилки вносят минус 140-120 дБн/Гц и потом это дело спадает по мощности обратно пропорционально отстройке (фликкер) в тепловые шумы усилка за вычетом 3 дБ. Насыщение усугубляет картину с фликкером. Как и переход на полевые усилители.

[vhk]

Интересно, как регистрировали уровни АШ и ФШ -140 дБн/Гц при отсройке 1 Гц.

[Dr.Drew]

Rodolphe Boudot and Enrico Rubiola "Phase Noise in RF and Microwave Amplifiers"

[vhk]

На рисунке отстройка 10 Гц а не 1 Гц.
http://rubiola.org/pdf-articles/conference...ifier-noise.pdf

[Dr.Drew]

Рисунок 6а

[khach]

Есть же гармонические смесители до 110 ГГц у Агилента

У родешварца серия смесителей R&S®FS-Z60/-Z75/-Z90/-Z110 Harmonic Mixers идет с калибровкой, но софт поддерживает и смесители сторониих производителей. Можно выбрать в меню анализатора двух или трехпортовый тип смесителя ( со встроенным диплексором ПЧ или без), уровень сигнала гетеродина, смещение диодов смесителя по постоянном току и даже записать свою таблицу по амлитудной калибровке. Но проблема в том что все эти вкусности есть только у FSW, а у FSWP их нет- нет опции внешних входов ПЧ и выхода сигнала гетеродина для гармониковых смесителей. Притом что у прототипа FSWP предпродажного они были, почему их убрали- тайна великая есть. В свое время имел надежду на двойной комплект внешних смесителей чтобы можно было организовать кросс-корреляцию в с переносом частоты, но надежды не оправдались. Прийдется городить свой измеритель ФШ для субсмиллиметров.

[vhk]

Рисунок 6а, это -120 дБн/Гц а не -140 дБн/Гц
http://rubiola.org/pdf-articles/journal/20...-amplifiers.pdf
P. S.
На 10 МГц -140 дБн/Гц может быть, но не на 3,5 - 10 ГГц.

Сообщение отредактировал vhk - Mar 22 2017, 10:10

[Dr.Drew]

Это понятно, что от частоты зависит. Вот только в теме ничего про частотный диапазон не сказано.
khach, ну возьмите E5052A/B открутите перемычки и используйте внешние гармонические смесители. Гетеродины можете подать от любых генераторов. Главное, чтобы ПЧ сильно не отличались.

[khach]

khach, ну возьмите E5052A/B открутите перемычки

Не все так просто - нужен 5053 ящик, без него работать не будет. И два гармониковых смесителя. Вот только у смесителей такие потери преобразования, что от чувствительности почти ничего не остается, я уж не говорю про частоты выше 110ГГц.

[Dr.Drew]

А что мешает взять два смесителя, два настольных генератора, два УПЧ и делитель мощности? Тут и 5053 не нужен. Возни на пару часов.

[khach]

А что мешает взять два смесителя, два настольных генератора, два УПЧ и делитель мощности? Тут и 5053 не нужен. Возни на пару часов.

В принципе это и предполагается. Только еще надо обеспечить стабилизацию уровней гетеродинов для накачки гармониковых смесителей- они очень чувствительны к уровню сигнала и без такой цепи вся метрология пойдет коту под хвост. Ну и основная проблема- собственно метрология и как обеспечить ее стабильность и повторяемость. Надо придумывать процедуру калибровки, чтобы отсчет был в честных дБн, а не в попугаях.

[Dr.Drew]

Там попугаи автоматически пересчитываются. Прибор самокалибруется перед каждым измерением. Там же надо связать спектр на входе АЦП со спектром на входе ФД. Все делается через предварительную обработку ПЧ на выходе ФД для вычисления крутизны ФД (она только и нужна) с учетом усиления ПЧ. Всякие преобразования частоты и уровень сигнала после гармонических смесителей нивелируются.

Сообщение отредактировал Dr.Drew - Mar 23 2017, 00:31

[khach]

Там попугаи автоматически пересчитываются. Прибор самокалибруется перед каждым измерением.

Разве это относится к случаю применения внешних смесителей? Смесители на гармониках не передают постоянной составаляющей ПЧ, поэтому калибровка по уровню нулевых биений в этом случае невозможна. Также нет тракта инжекции тестового сигнала, тестовый сигнал с отстройкой по частоте приходится подавать отдельно через калиброванный направленный ответвитель. На блок-схеме эта часть измерительного тракта не показана. Представители Keysight тоже ничего внятного сказать не смоги- отсылали к чтению аппнот.

[Dr.Drew]

Ну это понятно, тут даже матерые метрологи не особо разбираются в тонкостях таких измерителей. На самом деле, тестовый сигнал нигде никуда не подается, а все калибруется по ПЧ перед захватом цифровой ФАПЧ прибора внешнего сигнала. Сегодня мерили шумы на 20 ГГц экспериментального PLG20 (будет на Метрологии - приходите пощупать) с помощью двух Р2М-18 на 19,5 ГГц, смесителей и резистивного делителя мощности. Все сошлось. Правда, с настройками пришлось поиграться и прибор ругался на отсутствие мощности. Но цеплялся за ПЧ 500 МГц и показывал ее шумы. Верификацию делали фазовой модуляцией с заданным индексом.

[rloc]

будет на Метрологии - приходите пощупать

Андрей, сами не планируете?

[Dr.Drew]

Не берут начальники и главные метрологи ведущего инженера в компанию... Скорее, осенью на РАДЭЛе буду.

[rloc]

К вопросу о E5052B. Не знаю почему, ранее думал ФШ выделяются в каждом канале путем перемножения гетеродина с сигналом со сдвигом 90 гр. в петле PLL. Так бы было логично с точки зрения подавления несущей и более полного использования динамики АЦП. Согласно схеме ниже, вместо PLL используется FLL, оцифровка идет на промежуточной частоте (IF), и выделение фазы с амплитудой - в цифре.

На самом деле, тестовый сигнал нигде никуда не подается, а все калибруется по ПЧ перед захватом цифровой ФАПЧ прибора внешнего сигнала.

После АЦП информация о соотношении несущей и шумов не теряется и легко вычисляется в любой момент времени, захват не мешает.

[Dr.Drew]

Там есть один момент на схеме - настройка измерения ФШ в режиме wide. Там по чутью есть проблемы из-за нее. В этом режиме отключается управление УПЧ. В режиме normal ПЧ нулевая и реализована полноценная ФАПЧ. А вот как меряют амплитудные шумы, теперь стало понятнее.

[VCO]

Где эталон фазового шума?

Пока их два: шумовой пол (дно, полка, дорожка - как хотите переводите) и шумовая модель Лисона лейкосапфира (и сам генератор на лейкосапфире, но то уже к Сергею Бельчикову).

А что можно сделать эталоном АШ? 0 Вольт и АШ лучшего ИОН на земле? Как-то и не понял. Глупые вопросы для того и задаются, чтобы мудрецов в тупик поставить (по Ульянову).

[Dr.Drew]

Его нет и быть не может. Правда, метрология всея руси меня за такое высказывание запинает. Используется банальное синхронное фазовое детектирование.

[VCO]

Используется банальное синхронное фазовое детектирование.

Детектируется это относительно чего? Базис измерения - что?
Не уж-то даже ГОЧ или ИОН не нужны совсем??? Или они есть?

[Dr.Drew]

Детектируется разность фаз между внутренним источником и входным сигналом. Честно говоря, гетеродины (или гомодины) в 5052 не сильно-то и малошумящие. Вроде минус 135 дБн/Гц на отстройке 10 кГц от несущей 1 ГГц имеют всего. Но наличие независимого второго канала и расчет взаимной статистики позволяют пробить этот порог. При достаточно длине выборок, результат измерения сходится к спектру фазовых отклонений входного сигнала.

[VCO]

Детектируется разность фаз между внутренним источником и входным сигналом. Честно говоря, гетеродины (или гомодины) в 5052 не сильно-то и малошумящие. Вроде минус 135 дБн/Гц на отстройке 10 кГц от несущей 1 ГГц имеют всего. Но наличие независимого второго канала и расчет взаимной статистики позволяют пробить этот порог. При достаточно длине выборок, результат измерения сходится к спектру фазовых отклонений входного сигнала.

Насколько я пОмню, там есть и АЦП, тоже не самый крутой, ЕМНИП 10- или 12-разрядный, и ИОН там так себе, как я понимаю. В звуковой карте вообще ничего устойчивого и опорного нет. Это тупо математика, а не метрология?

[Dr.Drew]

Там 250 MSPS АЦП вроде. Если поискать среди продуктов тех лет, то можно найти только 210 MSPS с разрядностью 10-12 бит всего. Ну и вот - такой неказистый оцифровщик и приемник меряет до минус 180 дБн/Гц на отстройке 100 кГц от несущей 100 МГц. Мои коллеги впадают в ступор от такой цифры и приходится им долго объяснять, что реально в приборе нет такой динамики, а меряет (точнее рассчитывает) с динамикой, ну может 100 дБ, спектр разницы фаз двух сигналов в дБрад/Гц, которые при малых отклонениях приравниваются к дБн/Гц.

[rloc]

Там есть один момент на схеме - настройка измерения ФШ в режиме wide. Там по чутью есть проблемы из-за нее. В этом режиме отключается управление УПЧ.

Совсем из памяти вылетело, что за режим "wide"? Смотрел на эту картинку и думал: как они так ловко на ПЧ оцифровывают с АЦП на 125 МГц (из мануала)? В то время на эти частоты не было АЦП с достаточной динамикой, потеряли бы в чувствительности при одновременной оцифровке несущей с шумом. Системы с непосредственной оцифровкой появились позже (Symmetricom 5125A, из -150 дБн получают -180 дБн). При переносе на нулевую частоту, без деления на квадратуры (IRM), две боковые сложатся и нужно вводить поправку на 3 дБ, а если боковые не одинаковые (очень часто встречал такую ситуацию)?

Где эталон фазового шума?

Пока их два: шумовой пол (дно, полка, дорожка - как хотите переводите) и шумовая модель Лисона лейкосапфира

А что можно сделать эталоном АШ? 0 Вольт и АШ лучшего ИОН на земле?

Вопросы с эталонами интересные. Для начала, шумы нужно разделить на абсолютные и относительные. Эталоном абсолютных шумов может быть любой белый шум (не обязательно тепловой). Мощность легко преобразуется в другие величины (тепло), которые можно сравнить с известными эталонами. Если шум белый (некоррелированный), он поровну делится между амплитудными и фазовыми (-3дБ), получаем сразу два эталона. Остается только согласовать. Формула Лисона не может быть в качестве эталона, ее проверка требует еще многих экспериментов, знаю у Сергея есть некоторые расхождения. С относительными шумами все намного интереснее.

Насколько я пОмню, там есть и АЦП, тоже не самый крутой, ЕМНИП 10- или 12-разрядный, и ИОН там так себе, как я понимаю. В звуковой карте вообще ничего устойчивого и опорного нет. Это тупо математика, а не метрология?

Если мы измеряем относительные шумы (в разах), важна ли точность источников тока/напряжения?

Ну и вот - такой неказистый оцифровщик и приемник меряет до минус 180 дБн/Гц на отстройке 100 кГц от несущей 100 МГц.

Коль несущая подавлена, динамика не нужна. По-старинке так всегда и делали.

[vhk]

Вопросы с эталонами интересные. Для начала, шумы нужно разделить на абсолютные и относительные. Эталоном абсолютных шумов может быть любой белый шум (не обязательно тепловой).

Эталон "белого шума" есть с 2011 года, это ГЭТ 21-2011 по ссылке в перечне Гос. эталонов
http://www.vniiftri.ru/index.php/ru/etalons
Применяют (например) для поверки генераторов шума. В случае поверки анализаторов фазового шума применяют два источника сигнала с разным уровнем. Во всяком случае так следует из методики поверки. Для примера на Agilent E5052B.
 _________E5052B_.pdf ( 336.94 килобайт ) Кол-во скачиваний: 27

[khach]

Интересно, а из блок-схемы Agilent 4352 еще что то вытянуть можно в смысле измерения ФШ? Как и него устроена измерительная петля, которая переносит спектр шумов в полосу до 10 МГц кто нибудь знает?

[rloc]

Как и него устроена измерительная петля, которая переносит спектр шумов в полосу до 10 МГц кто нибудь знает?

Как они пишут:

The phase noise of the signal is measured in the carrier lock multi-mode PLL circuit with the orthogonal phase detection method.

Чувствительность ограничивается шумами гетеродина. В ноль ортогонально перенесли, на выходе - ФШ (АШ подавлены).

[VCO]

Если мы измеряем относительные шумы (в разах), важна ли точность источников тока/напряжения?

Так в звуковой карте измеряется разница частот каких-то генераторов.
Вопрос: что там измеряется и чем это измеряется? Там и шкалы-то нет
Да, макушку разницы берём за 0 дБ, а далее дифференцируем вниз, вроде всё O.K.
Но только ни нелинейность, ни ошибки АЦП не учитываются и не гарантируются,
ни совпадение измеренной шумовой дорожки с реальным тепловым шумом не проверяется.
И в результате видим гипертрофированные спектры, кои выкладывают радиофилы

[rloc]

Так в звуковой карте измеряется разница частот каких-то генераторов.

Смешиваются 2 кварцевых генератора с разницей 10-20 кГц, и на звуковую карту. Измеряемый ГК предполагается хуже по шумам.

Да, макушку разницы берём за 0 дБ, а далее дифференцируем вниз, вроде всё O.K.

Точно, нужна разница.

Но только ни нелинейность, ни ошибки АЦП не учитываются и не гарантируются,

С линейностью все в порядке, как я помню vhk измерял ее двухсигнальным методом и получил около 120-130 дБ (динамический диапазон по интермодуляции) в полосе 1 Гц вместе со смесителем (прошу поправить если ошибся в цифрах). Высокая линейность АЦП в звуковых картах гарантируется принципом преобразования - оцифровка с разрядностью 1 бит (бывает больше) с помощью сигма-дельта модуляции и далее повышение разрядности за счет сужения полосы (24-32 бита). 1 разряд (пороговое устройство) может быть нелинейным? Более линейных систем не встречал. Скорее E5052 надо калибровать по звуковухе ) Но и звуковуха не самая банальная, не стоковая на материнской плате, с шильдиком Agilent ее стоимость могла бы быть под четверть от E5052B.

ни совпадение измеренной шумовой дорожки с реальным тепловым шумом не проверяется.

Шумовая дорожка не обязана совпадать с тепловым шумом, есть добавка в виде собственных шумов измерительной системы (коэффициент шума). Чем и ограничивается чувствительность в дальней зоне, никто не спорит.

И в результате видим гипертрофированные спектры, кои выкладывают радиофилы

Чем они гипертрофированы? На мелкие ПСС по ЭМС и проникновения эфира можно закрыть глаза, на общий вид огибающей шумов не влияют, мощность не та.

[Aner]

...
Но только ни нелинейность, ни ошибки АЦП не учитываются и не гарантируются,
ни совпадение измеренной шумовой дорожки с реальным тепловым шумом не проверяется.
И в результате видим гипертрофированные спектры, кои выкладывают радиофилы

Да так и есть, судят по звуковухе о профи измерениях, да еще и с самообразованием. А про динам диапазон который рисуют вообще молчу.
Производитель для своих АЦП четко указывает одно, таки доказывают свое. Аналогичное рисование с шумами.

[vhk]

А про динам диапазон который рисуют вообще молчу.
Производитель для своих АЦП четко указывает одно, таки доказывают свое. Аналогичное рисование с шумами.

Что не так с динамическим диапазоном?
Производитель АЦП указывает ДД 123 дБ для тактовой частоты 48 кГц, полоса соответственно 24 кГц.
Ссылка на "даташит" производителя
https://www.akm.com/akm/en/file/datasheet/AK5394AVS.pdf
Приводим к полосе 1 Гц = 10*LOG(24000/1) = 43,8 дБ. Динамический диапазон по данным изготовителя = 123 дБ +43,8 дБ = 166,8 дБ к полосе 1 Гц. Поясню: это означает, что максимальный сигнал (до переполнения АЦП) может превышать уровень шума в полосе 1 Гц на 166,8 дБ. На спектрах приведённых в теме вы если видите несоответствие, то покажите.

[Шаманъ]

А про динам диапазон который рисуют вообще молчу.
Производитель для своих АЦП четко указывает одно, таки доказывают свое. Аналогичное рисование с шумами.

А взять датащит и почитать? Вот у меня в одном девайсе используется CS5381, используются два канала, частота дискретизации 96кГц. Теперь берем датащит и смотрим:


ДД по шумам 117дБ в полосе 40кГц, в пересчете на 1Гц это даст -163дБн/Гц, с двумя каналами должно было получиться -166дБн/Гц, в реальности у меня вышло -165дБн/Гц.

По интермодуляции. Данных в датащите нет, но цифра гармонических искажений в -110дБ как бы намекает. В реальности смеситель вместе с этим АЦП имеет IP3=+40дБм при Кш около 14дБ. ДД можете подсчитать сами.

Вот еще Вам реальная картинка - два генератора Г3-118 и звуковуха E-MU0202 (кстати не самая крутая):


Интермодуляционные искажения второго порядка -119дБ, третьего -116дБ относительно уровня одного тона.

Но, если речь про измерения ФАПЧем, то все намного упрощается и по части шумов все решит уровень шума входных цепей/смесителя/усилителя после него. Я в своих экспериментах уперся в шум AD797 с одной стороны и линейность смесителя (ADE-1+) с другой, однако всеравно шумовой пол в -165..-170дБн/Гц получается без фокусов с кросскорреляцией. При прямом замере все упирается в ДД АЦП и шумовой пол гуляет около -150дБн/Гц (это с E-MU0202, с картой получше шум будет пониже).

Кстати с ФАПЧем при замерах на высоких частотах намного бОльшей проблемой может быть взаимное влияние генераторов друг на друга. Если развязка недостаточная, то полученные цифры по шумам будут слишком оптимистичны.

[khach]

Cо звуковыми картами профессионального класса никаких особых проблем нет, ни с амплитудой ( она легко калибруется внешним генератором) ни с частотой- эти карты допускают внешне тактирование для обьединения многоканального звукозаписывающего оборудования в синхронную сеть. Так что привязаться к эталону в 10Мгц можно без больших проблем, ( кроме хитрого коэффициента пересчета конечно).
Основная проблема при использовании звуковых карт для измерения ФШ- нехватает частотного диапазона, особенно при исследовании синтезаторов с высокой частотой ФД. Зато при исследовании кварцевых генераторов и VCXO- они практически безальтернативны, особенно по параметрам цена/качество.
Для синтезаторов с высокими частотами ФД надо строить что то другое. Вот смотрю в строну преобразователя на основе ADS9110 - 18-Bit, 2-MSPS что бы хотя бы 1 МГц полосы шума анализировать.

[rloc]

Для синтезаторов с высокими частотами ФД надо строить что то другое. Вот смотрю в строну преобразователя на основе ADS9110 - 18-Bit, 2-MSPS что бы хотя бы 1 МГц полосы шума анализировать.

С большими шумами еще юбка заворачивается, в середину Найквиста приходится целиться. А АЦП, как подметил vhk, важнее смотреть по плотности шума:

Приводим к полосе 1 Гц = 10*LOG(24000/1) = 43,8 дБ. Динамический диапазон по данным изготовителя = 123 дБ +43,8 дБ = 166,8 дБ к полосе 1 Гц.

Для ADS9110, F = 2 MHz, SNR = 100 dB: 100 + 10log(1*10^6) = 160 dBFS/Hz
Для LTC2387-18, F = 15 MHz, SNR = 96 dB: 96 + 10log(7.5*10^6) = 165 dBFS/Hz (ближе к AK5394)

[Шаманъ]

Основная проблема при использовании звуковых карт для измерения ФШ- нехватает частотного диапазона, особенно при исследовании синтезаторов с высокой частотой ФД.
.............................
Для синтезаторов с высокими частотами ФД надо строить что то другое. Вот смотрю в строну преобразователя на основе ADS9110 - 18-Bit, 2-MSPS что бы хотя бы 1 МГц полосы шума анализировать.

Как вариант можно перестраивать синтезатор вокруг кварцевого генератора подставки и смотреть шум на бОльших отстройках. Да, это не столь наглядно, но если нет иного выхода... Я таким методом пользовался, ибо петля у меня весьма широкая.

[khach]

Для LTC2387-18, F = 15 MHz, SNR = 96 dB: 96 + 10log(7.5*10^6) = 165 dBFS/Hz

Спасибо что напомнили про линеаровский АЦП. Вот только он вроде под санкциями и экспортными лицензиями. И фурье процессор для него прийдется делать аппаратный в FPGA. Может кто посоветовать FFT корку (VHDL/ verilog) под 18 бит входных и достаточной внутренней динамикой? А то большинство библиотечных корок ограничено 16 битами по входу.
Используя LTC2387-18 действительно можно построить анализатор ФШ с полосой под 5 МГц без кусочной аппроксимации- сшивки спектра. Потому что метрологию с шивкой спектра ФШ из кусочков я как то понять не смог до конца.
Есть еще вопрос про измерение ФШ субмиллиметровых генераторов в режиме free run. Проблема в том что такие генераторы очень быстро дрейфуют по частоте от самопрогрева, характерные скорости дрейфа до 1МГц/сек. Какие ФШ анализаторы могут справится с измерением таких источников?

[Skandalli]

Именно эту статью я и читал. Rodolphe Boudot and Enrico Rubiola "Phase Noise in RF and Microwave Amplifiers" а еще "ADDITIVE (RESIDUAL) PHASE NOISE MEASUREMENT OF AMPLIFIERS, FREQUENCY DIVIDERS AND FREQUENCY MULTIPLIERS" Тык
Ок, пишут, что увеличивается. Я взял генератор Rohde&Schwarz, анализатор спектра с опцией PN, измерил фазовый шум от генератора, получил значения -111, -117, -117, -137 на отстройках 1к, 10к, 100к и 1 М соответственно, дальше подключил генератор ко входу усилителя GALI-55+, и снял несколько зависимостей PN от уровня входного сигнала - даже при глубочайшем насыщении шум не вырос. Что я делаю не так?

[Шаманъ]

Есть еще вопрос про измерение ФШ субмиллиметровых генераторов в режиме free run. Проблема в том что такие генераторы очень быстро дрейфуют по частоте от самопрогрева, характерные скорости дрейфа до 1МГц/сек. Какие ФШ анализаторы могут справится с измерением таких источников?

Возможно что-то на линии задержки?

Я взял генератор Rohde&Schwarz, анализатор спектра с опцией PN, измерил фазовый шум от генератора, получил значения -111, -117, -117, -137 на отстройках 1к, 10к, 100к и 1 М соответственно, дальше подключил генератор ко входу усилителя GALI-55+, и снял несколько зависимостей PN от уровня входного сигнала - даже при глубочайшем насыщении шум не вырос. Что я делаю не так?

ИМХО, источник сигнала слишком шумный и на фоне его шумов рассмотреть что-то по части шумов усилителя не выйдет. Я успешно шумы разных делителей наблюдал но уровни были -145..165дБн/Гц, источником сигнала был КГ с шумами около -160дБн/Гц@1кГц.

[Skandalli]

ИМХО, источник сигнала слишком шумный и на фоне его шумов рассмотреть что-то по части шумов усилителя не выйдет. Я успешно шумы разных делителей наблюдал но уровни были -145..165дБн/Гц, источником сигнала был КГ с шумами около -160дБн/Гц@1кГц.

Я экспериментировал с ADF-4360-4 - результат бы такой же. Можно ли сделать вывод, что ФШ усилителей поднимают юбку шумов незначительно (->0) , если проводить измерения в диапазоне -65..-125 дБн/Гц. Расскажу предысторию с чего все началось. Был отдан мне на доработку супергетеродин, с плохим ФШ на выходе. Типа, по ТЗ ФШ не более -72, а у меня -62. Вроде петля норм, ОГ норм, ОУ норм, по ADISIMpll все норм. А шумит. И у меня возникло подозрение, что сигнал с ГУНа, замусоривается на усилителе, который стоит на выходе ГУН. Я полез в genesys, поиграл с параметрами усилителя, смоделировал ситуацию с режимом насыщения, получил подтверждение - ФШ выросли, ну и... провел эксперимент, который не сошелся с моделированием, дальше литература и эта тема.
Файлик для Genesys
 Phas_noise_saturation.rar ( 16.53 килобайт ) Кол-во скачиваний: 14

[Шаманъ]

Я полез в genesys, поиграл с параметрами усилителя, смоделировал ситуацию с режимом насыщения, получил подтверждение - ФШ выросли, ну и... провел эксперимент, который не сошелся с моделированием

Неужели моделирование показало, что насыщение может поднять шум аж до -60дБн/Гц?

[Skandalli]

Неужели моделирование показало, что насыщение может поднять шум аж до -60дБн/Гц?

Нет Но в зависимости от точки компресии по 1 дБ и/или усиления ФШ может подняться на примерно 10 дБ. Скажем, с -111 дБн до -101 дБн.

[vhk]

С линейностью все в порядке, как я помню vhk измерял ее двухсигнальным методом и получил около 120-130 дБ (динамический диапазон по интермодуляции) в полосе 1 Гц вместе со смесителем (прошу поправить если ошибся в цифрах). нт шума).

На рисунке по ссылке ИМД искажения собственно карты
http://www.cqham.ru/forum/attachment.php?a...mp;d=1211277980
при уровне сигналов около Вольта. Со смесителем уровни входных сигналов по 63 мВэфф.
http://www.cqham.ru/forum/attachment.php?a...mp;d=1373734242
Что любопытно. Автор темы -Skandalli привёл ссылку на работу об измерении фазовых шумов усилителей
http://www.holzworth.com/Aux_docs/PhaseNoi...e_MWJ_Jun08.pdf
Где автор работы применял звуковую карту. Процитирую для Aner и VCO

Most high-end audio cards
sample at up to 96 ksps with a bandwidth
that extends from 20 Hz to 40
kHz and very often extend down to
10 Hz with only 1 to
2 dB of attenuation.
All the measurements
for this article
were made using
the LNA plus
audio card method.

Измерений АШ в публикации нет.

Сообщение отредактировал vhk - Mar 28 2017, 09:46

[Dr.Drew]

Не все так просто - нужен 5053 ящик, без него работать не будет. И два гармониковых смесителя. Вот только у смесителей такие потери преобразования, что от чувствительности почти ничего не остается, я уж не говорю про частоты выше 110ГГц.

Резистивный делитель мощности без развязки и с потерями 6 дБ на плечо, два смесителя Марки M20240LP, генератор MG3695B и генератор 68369B в качестве гетеродинов. Выходы ПЧ смесителей напрямую крутятся на входы RF1 и RF2 вместо перемычек. PLG20 приходит на входы смесителей с уровнем около 0 дБм, гетеродины по 10 дБм каждый. На E5052B включен режим "wide".
7,5 ГГц еще сам прибор может померить, а выше - только с преобразованием на ПЧ 3-7 ГГц.

Эскизы прикрепленных изображений