Jump to content

    
Sign in to follow this  
Dmitry_1992

Влияние фазового шума синтезатора (гетеродина) на параметры приемника

Recommended Posts

Добрый день. Во всех источниках (книги, статьи, в документах производителей) указывается, что необходимо добиваться наименьших уровней фазового шума синтезатора частот, особенно если последние применяются в качестве гетеродинов в приемном устройстве на основе супергетеродинного приемника. Мне понятно, что фазовый шум можно пересчитать в паразитные отклонения фазы и частоты, однако вопрос:  Как фазовый шум влияет на динамический диапазон и чувствительность приемного устройства, и отношение сигнал шум на выходе смесителя??

На основании ответа на эти вопросы можно задаваться требованиями к гетеродину при проектировании. Литературу по этому вопросу я искал и нашел крайне мало. Из того, что находил: уровень фазового шума <= динамический диапазон (при определенной отстройке) + отношение сигнала шум. Почему то есть сомнения правдоподобности этой формулы.

Может быть кто то этим вопросом занимался или видел в каких либо источниках. Подскажите пожалуйста

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 hour ago, Dmitry_1992 said:

Добрый день. Во всех источниках указывается, что необходимо добиваться наименьших уровней фазового шума

Навскидку приведёте хоть ОДИН? Ни разу не видел.

 

1 hour ago, Dmitry_1992 said:

Литературу по этому вопросу я искал и нашел крайне мало

Противоречие: "необходимо добиваться" - "во всех источниках", но литературы нет :-)))

 

1 hour ago, Dmitry_1992 said:

Как фазовый шум влияет на динамический диапазон и чувствительность приемного устройства, и отношение сигнал шум на выходе смесителя??

Ну и наконец ответ на главный вопрос.

Если занимаетесь именно связью и работаете в пределах первых 2-3 ГГц, то на сегодня совершенство элементной базы таково,

что если гетеродин сделать идеальным, бюджет канала улучшится на 0.1 дБ.

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 hours ago, Dmitry_1992 said:

 Мне понятно, что фазовый шум можно пересчитать в паразитные отклонения фазы и частоты, однако вопрос:  Как фазовый шум влияет на динамический диапазон и чувствительность приемного устройства, и отношение сигнал шум на выходе смесителя??

На основании ответа на эти вопросы можно задаваться требованиями к гетеродину при проектировании.

Уже более 20 лет как появились цифровые синтезаторы и PLL гетеродины зашумели и человечество само себя загнало в тупик. Что Вы там собираетесь пересчитывать? Вот цифровой синтезатор с дерьмовой PLL и гетеродином, а вот другой, который применяют массово от радиосвязи до радиолокации и много чего другого. Просто ничего не понимая видно разительное отличие. Что будет дальше? Вы миксером снесете входной полезный сигнал вниз с помощью этих гетеродинов, например на 2-5МГц (ПЧ1). Весь спектр входного сигнала и весь спектр гетеродина попадет в полосу до 2-5МГц. Ближайшее окружение горбатого гетеродина в полосе 100 кгц (это полезный спектр, где сконцентрирован спектр модулированного входного сигнала). Чистый гетеродин перенесет полезный сигнал ну почти без искажений. Главное искажение это уровень шумовой полки ПЧ1. Горбатый гетеродин своими горбами поднимет уровень шумовой полки на 25-30 dB выше чистого (это конкретный пример). Вот и все, приплыли. С горбатым гетеродином полезный сигнал будет ниже шумовой полки, а чистый вы будете видеть невооруженных взглядом торчащим над шумом. Ну и далее то что называется соотношение сигнал\шум, всякие динамические диапазоны, нелинейные искажения... Вот тут как тут прибегут программисты по ЦОС и начнут Вам рассказывать, что им все пофигу и они из любых шумов вытащат полезный сигнал и что фазовые шумы такой проблемы не существует. Здесь бродят такие, можете полистать и пообщаться.

IMG_8052Spect.jpg

IMG_AD4350Spec.jpg

Share this post


Link to post
Share on other sites
10 hours ago, Dr.Alex said:

Если занимаетесь именно связью и работаете в пределах первых 2-3 ГГц, то на сегодня совершенство элементной базы таково,

что если гетеродин сделать идеальным, бюджет канала улучшится на 0.1 дБ.

Это так, если говорить о гражданских системах широкополосной сотовой связи со стандартами типа 3G/4G/5G.
Совершенно другие требования для профессиональной узкополосной радиосвязи - там требования к ФШ могут быть на 60+ дБ выше, чем для первого варианта.

Edited by 3apw

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 hour ago, 3apw said:

Это так, если говорить о гражданских системах широкополосной сотовой связи со стандартами типа 3G/4G/5G.
Совершенно другие требования для профессиональной узкополосной радиосвязи - там требования к ФШ могут быть на 60+ дБ выше, чем для первого варианта.

А что такое "узкополосная" и что такое "профессиональная"?

А то возникло ощущение что "гражданская" связь это дрянь какая-то, а вот "профессиональная" (военная?) ...... :-)))

На самом деле конечно же совершенство именно массовой коммерческой связи выше, чем какой-либо другой.

Share this post


Link to post
Share on other sites
16 часов назад, AFK сказал:

image.thumb.png.da94424d734226025ad4bf7174b3bc16.png

Картинка отсюда

Спасибо за картинку, но тут не все так просто, поскольку на вход приемника из эфира всегда придет сигнал со своим уровнем фазового шума

16 часов назад, Dr.Alex сказал:

Навскидку приведёте хоть ОДИН? Ни разу не видел.

Например, Статьи - 1) Ченакин. Фазовые шумы в СВЧ-генераторах методы решения проблемы; 2) Фазовый шум в анализаторе спектра: как спуститься ниже –120 дБн/Гц на отстройке 10 кГц в диапазоне частот до 14 ГГц, или Борьба за децибелы

Мог бы еще диссертации некоторые указать, но думаю будет лишним

16 часов назад, Dr.Alex сказал:

Противоречие: "необходимо добиваться" - "во всех источниках", но литературы нет :-)))

Может я неправильно донес мысль или вы не так прочли. Здесь подразумевалось, что есть мало источников, в которых есть связь между динамическим диапазоном и уровнем фазового шума гетеродина, или прямое преобразование шумов гетеродина в полосу ПЧ сигнала. Но у меня есть некоторые сомнения относительно этого. 

 

16 часов назад, Dr.Alex сказал:

Ну и наконец ответ на главный вопрос.

Если занимаетесь именно связью и работаете в пределах первых 2-3 ГГц, то на сегодня совершенство элементной базы таково,

что если гетеродин сделать идеальным, бюджет канала улучшится на 0.1 дБ.

Мне интересен диапазон частот входных сигналов приемника 1 - 20 ГГц. Поэтому хочу оценить влияние фазовых шумов гетеродина на вышеуказанные параметры приемника, чьи параметры также варьируются от диапазона частот.      

Share this post


Link to post
Share on other sites
15 часов назад, MW_Юрий сказал:

Уже более 20 лет как появились цифровые синтезаторы и PLL гетеродины зашумели и человечество само себя загнало в тупик. Что Вы там собираетесь пересчитывать? Вот цифровой синтезатор с дерьмовой PLL и гетеродином, а вот другой, который применяют массово от радиосвязи до радиолокации и много чего другого. Просто ничего не понимая видно разительное отличие. Что будет дальше? Вы миксером снесете входной полезный сигнал вниз с помощью этих гетеродинов, например на 2-5МГц (ПЧ1). Весь спектр входного сигнала и весь спектр гетеродина попадет в полосу до 2-5МГц. Ближайшее окружение горбатого гетеродина в полосе 100 кгц (это полезный спектр, где сконцентрирован спектр модулированного входного сигнала). Чистый гетеродин перенесет полезный сигнал ну почти без искажений. Главное искажение это уровень шумовой полки ПЧ1. Горбатый гетеродин своими горбами поднимет уровень шумовой полки на 25-30 dB выше чистого (это конкретный пример). Вот и все, приплыли. С горбатым гетеродином полезный сигнал будет ниже шумовой полки, а чистый вы будете видеть невооруженных взглядом торчащим над шумом. Ну и далее то что называется соотношение сигнал\шум, всякие динамические диапазоны, нелинейные искажения... Вот тут как тут прибегут программисты по ЦОС и начнут Вам рассказывать, что им все пофигу и они из любых шумов вытащат полезный сигнал и что фазовые шумы такой проблемы не существует. Здесь бродят такие, можете полистать и пообщаться.

IMG_8052Spect.jpg

IMG_AD4350Spec.jpg

1) На вход приемника  приходит сигнал из эфира своим уровнем фазового шума. Следовательно на вход смесителя подается два сигнала со своими уровнями фазового шума. Каков будет результирующий сигнал, какой вклад фазового шума будет существенным? резонно задаться требованиями

2) При расчете чувствительности приемника учитываются коэффициенты шума каждого элемента приемника, но я ни разу не видел, чтобы здесь учитывался вклад  шума гетеродина.

По моим размышлениям высокий уровень фазового шума гетеродина должен снижать чувствительность приемника, а также снизить отношение сигнал-шум сигнала на выходе смесителя. Вопрос как это можно оценить/посчитать? В одной из диссертаций посвященной радиомониторингу было написано следующее требование к фазовому шуму: 

уровень фазового шума <= динамический диапазон (при определенной отстройке) + отношение сигнала шум

Но есть сомнения на счет этой формулы

Share this post


Link to post
Share on other sites
34 minutes ago, Dmitry_1992 said:

1) На вход приемника  приходит сигнал из эфира своим уровнем фазового шума. Следовательно на вход смесителя подается два сигнала со своими уровнями фазового шума. Каков будет результирующий сигнал, какой вклад фазового шума будет существенным?

Есть такой известный медицинский факт: спектр произведения двух сигналов равен свертке спектров этих сигналов.
Поэтому вам нужно найти спектр "сигнала из эфира со своим уровнем фазового шума" и спектр "сигнала гетеродина со своим уровнем фазового шума", а потом просто сделать свертку этих спектров.. ))

Share this post


Link to post
Share on other sites
15 minutes ago, Dmitry_1992 said:

По моим размышлениям высокий уровень фазового шума гетеродина должен снжать чувствительность приемника,

 

Размышления не нужны. Я Вам выложил конкретные данные конкретного качественного и не качественного приемника с двойным преобразование, то что Вы называете "профессиональный" и узкополосным. Уровень гетеродина на миксере от 0dBm, а уровень полезного сигнала -120dBm. так что там шумит в сигнале по фигам, гетеродин задавит все. Вам нужно опуститься с диссертационных фантазий на грешный инженегрый уровень. Инженегры без диссертаций берут инструменты моделирования и за пол часа видят все что Вас интересует, а диссертанты выше статей никогда не поднимаются, некогда, надо строчить статьи. Вот определитесь кто Вы читатель и писатель или практикующий инженер. Если тянетесь к инженерам, то освойте RF моделирование. Ну например для меня ADS главный инструмент и тупо за 15 мин я отвечу на любые вопросы радиофизики от малосигнального анализа до нелинейного (гармонический). И тогда не понадобится размышлять. Эпоха фантазеров очень давно закончилась. Ну и главное дальше. Надо брать современную комплектацию или покупать тестовые киты и собирать на них- миксер, гетеродин, IF1... Это самый продуктивный путь. На все что меня интересует есть киты и могу собрать любой радиоприемник (до 24 ГГц) за пол часа и увидеть реальную жизнь.

Share this post


Link to post
Share on other sites
39 минут назад, Dmitry_1992 сказал:

1) На вход приемника  приходит сигнал из эфира своим уровнем фазового шума. Следовательно на вход смесителя подается два сигнала со своими уровнями фазового шума. Каков будет результирующий сигнал, какой вклад фазового шума будет существенным? резонно задаться требованиями

2) При расчете чувствительности приемника учитываются коэффициенты шума каждого элемента приемника, но я ни разу не видел, чтобы здесь учитывался вклад  шума гетеродина.

По моим размышлениям высокий уровень фазового шума гетеродина должен снижать чувствительность приемника, а также снизить отношение сигнал-шум сигнала на выходе смесителя. Вопрос как это можно оценить/посчитать? В одной из диссертаций посвященной радиомониторингу было написано следующее требование к фазовому шуму: 

уровень фазового шума <= динамический диапазон (при определенной отстройке) + отношение сигнала шум

Но есть сомнения на счет этой формулы

1. Уровень фазового шума "сигнала из эфира" к характеристикам приемника не относится. Какой есть, такой есть.

2. Фазовый шум гетеродина не влияет на чувствительность приемника.

3. Фазовый шум гетеродина влияет на избирательность приемника по соседнему каналу и уровень побочных излучений передатчика по соседнему каналу.

Пример: выберем синтезатор для "радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы", ГОСТ 12252-86

Требуемая избирательность по соседнему каналу (+-25кГц) -70дБ. Полоса приема 20кГц.
Соотв. уровень фазового шума гетеродина при отстройке +-25кГц должен быть не более -70-10*log(20000)=-113дБс/Гц.

Такой уровень фазовых шумов дает, например, синтезатор всех времен и народов ADF4351 для диапазона 200-500МГц. При условии достаточно прямых лапок разработчика. На фото вверху был изображен спектр сигнала синтезатора, сделанного кривыми лапками)

Вывод: самый дешманский синтезатор с интегрированным VCO обеспечивает достаточный уровень фазового шума для выполнения "взрослого" ГОСТа.

P.S. Получение низкого уровня фазового шума, как и любых других характеристик сигнального тракта, для нормального разработчика не является сферической самоцелью в вакууме. Все параметры должны соответствовать требованиям ТЗ и далее задача разработчика достигнуть их при минимальной себестоимости/габаритах/потреблении энергии изделия.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Quote

На фото вверху был изображен спектр сигнала синтезатора, сделанного кривыми лапками)

)) как по мне это два фото одного и того же синтезатора

фазовые шумы у которого одинаковые

а на первой картинке имеем "плечи" от интермода ( тупо перегружен или генератор.буфер или вообще вход измериловки перегружен уровнем ) и усё ))

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Все зависит от задачи, которую решает приемник. Например:

- для корреляционных приемников с большим временем накопления фазовый шум может ограничивать время когерентного накопления. https://www.insidegnss.com/auto/novdec10-Thombre.pdf

- для связных приложений фазовый шум увеличивает длину вектора ошибки (EVM) http://www.journal.uestc.edu.cn/fileDZKJDX_EN/journal/article/dzkjdxxbywb/2007/2/PDF/2007-2-111.pdf

https://arxiv.org/pdf/1305.1187.pdf

- для трактов обработки фазовый шум ограничивает динамический диапазон АЦП

https://training.ti.com/sites/default/files/docs/TIPL 4704 - Jitter vs SNR.pdf

В большинстве случаев достигаемый на современной элементной базе уровень ФШ не является ограничивающим характеристики приемника фактором. 

Литературы по этим вопросам хватает.

Share this post


Link to post
Share on other sites
29 минут назад, sanyc сказал:

- для трактов обработки фазовый шум ограничивает динамический диапазон АЦП

https://training.ti.com/sites/default/files/docs/TIPL 4704 - Jitter vs SNR.pdf

Тут есть забавный нюанс: говорить, что джиттер клока АЦП влияет на SNR не совсем корректно. Да, влияет, но ровно таким образом, как и фазовый шум гетеродина на смеситель. Т.к. сэмплирование в АЦП имеет ту же природу, что и перемножение в смесителе. Т.е. для клока важна не столько величина джиттера в секундах, сколько спектр этого джиттера. Именно спектральные свойства клока определяют зависимоcть SNR от разноса частоты помехи/сигнала.

Из чего периодически рождаются уродцы: супергетеродинные приемники с супер-пупер low jitter тактовым генератором АЦП и посредственным синтезатором гетеродина. На корню убивающим все старания с тактированием АЦП. 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
19 hours ago, neon416 said:

На фото вверху был изображен спектр сигнала синтезатора, сделанного кривыми лапками)

 

Это гетеродин однокристального трансивера ON Semi и полностью повторяет картинки даташит.  Утверждается, что приемник имеет чувствительность -140dBm. Чип массово применяют в Раша и объем производства устройств дес. тыс. Как вы думаете OnSemi (Это вроде бывшая Motorolla) у них корявые лапки?

18 hours ago, mux said:

)) как по мне это два фото одного и того же синтезатора

фазовые шумы у которого одинаковые

а на первой картинке имеем "плечи" от интермода ( тупо перегружен или генератор.буфер или вообще вход измериловки перегружен уровнем ) и усё ))

 

 

Читайте внимательно, что писал. Там написано откуда первый и второй гетеродин. Первый однокристалка ONSemi, второй ADF4350. Опять читайте внимательно и не фантазируете. Выход ПЧ первого шумовая полка на 30 dB выше, чем с гетеродином ADF4350. Уровень входного сигнала -100dBm.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Sign in to follow this