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Cómo medir el ruido de fase con un analizador de espectro

Cómo medir el ruido de fase con un analizador de espectro

Los analizadores de espectro actuales proporcionan un medio muy eficaz para probar el ruido de fase de manera fácil y precisa, y pueden ser mucho más fáciles y precisos que utilizar enfoques que utilicen otras formas de instrumentos de prueba electrónicos.

Estos instrumentos de prueba electrónicos a menudo se diseñan con rutinas incorporadas en el software para facilitar aún más las pruebas. Cuando se compara con otros métodos que utilizan diferentes formas de equipo de prueba, el analizador de espectro no solo proporciona un método más conveniente para obtener las mediciones de ruido de fase, sino que normalmente es más preciso.

El ruido de fase es cada vez más importante como parámetro en muchos dispositivos de RF porque no solo el rendimiento deficiente del ruido de fase puede generar un aumento de errores de datos, sino que también puede crear interferencias para los usuarios de otros canales.

En consecuencia, se necesitan mediciones de ruido de fase para una serie de diferentes tipos de equipos electrónicos durante las etapas de diseño. Puede ser aplicable a elementos de teléfonos móviles, a nodos / unidades utilizados para Internet de las cosas, IoT, equipos inalámbricos de corto alcance, radiocomunicaciones y una gran cantidad de otros elementos.

Como resultado de la variedad de elementos que pueden necesitar que se realicen mediciones de ruido de fase, se necesita una forma conveniente de lograrlo, y el analizador de espectro es un instrumento de prueba ideal para satisfacer esta necesidad.

Que es el ruido de fase

El ruido de fase es el resultado de las fluctuaciones de fase a corto plazo que existen en cualquier señal. Esto se conoce como fluctuación de fase y se mide directamente en radianes.

La fluctuación de fase se manifiesta en una señal como bandas laterales que se extienden a ambos lados de la señal principal. Esto se conoce como ruido de fase de banda lateral única, y cuando se mira de esta manera es más fácil de visualizar y también medir.

El ruido de fase es importante por varias razones:

  • Degrada el rendimiento de las transmisiones de datos: La mayoría de las transmisiones de datos, como las que se utilizan para las comunicaciones móviles, Wi-Fi y muchas otras aplicaciones, utilizan formas de modulación que utilizan la fase como parte o toda la técnica de modulación. Cualquier ruido de fase reducirá el margen entre los diferentes estados y afectará los márgenes de la señal y las tasas de error de bits resultantes. Esto significa que es importante tener un buen rendimiento de ruido de fase para cualquier oscilador local.
  • Interferencia de canal adyacente: El ruido de fase se extiende a ambos lados de la señal principal y puede caer en canales cercanos causando interferencia a otros usuarios. Como resultado, las emisiones no esenciales, incluido el ruido de fase, deben mantenerse por debajo de ciertos límites para garantizar que la interferencia no sea un problema.

El ruido de fase se mide como la potencia de ruido en un ancho de banda dado. El estándar es un ancho de banda de 1 Hz. Aunque la medición se puede realizar en un ancho de banda más amplio, se puede convertir fácilmente al valor para un ancho de banda de 1Hz.

Además de esto, el valor del ruido está relacionado con el nivel de la portadora. Un número determinado de decibelios por debajo del portador. La abreviatura estándar que indica esto es dBc.

Por último, debe indicarse la desviación de la portadora porque el nivel de ruido varía a medida que se cambia la desviación de la portadora.

Esta especificación típica se cita en términos de decibelios hacia abajo en la portadora en un ancho de banda de 1 Hz a un desplazamiento de frecuencia dado, es decir, dBc / Hz a un desplazamiento de xx kHz.

Nota sobre el ruido de fase:

El ruido de fase consiste en pequeñas perturbaciones aleatorias en la fase de la señal, es decir, fluctuación de fase. Estas perturbaciones son efectivamente modulación de fase y, como resultado, se generan bandas laterales de ruido. Estos se extienden a ambos lados de la señal principal y se pueden representar en un analizador de espectro como ruido de fase de banda lateral única.

Leer más sobre Ruido de fase.

Requisitos previos para medir el ruido de fase

El principal requisito para cualquier medición de ruido de fase que utilice un analizador de espectro es que debe tener un nivel bajo de desviación en comparación con la tasa de barrido. Si el nivel de desviación del oscilador es demasiado alto, invalidaría los resultados de la medición.

Esto significa que esta técnica es ideal para medir los niveles de ruido de fase de los sintetizadores de frecuencia, ya que están bloqueados en una referencia estable y los niveles de deriva son muy bajos.

Muchos osciladores de funcionamiento libre no son lo suficientemente estables para utilizar esta técnica. A menudo, deberían estar bloqueados a una referencia de alguna manera, y esto alteraría las características de ruido de fase de al menos una parte del espectro.

Además de esto, el rendimiento del ruido de fase del analizador de espectro debe ser mejor que el del elemento bajo prueba; de lo contrario, la prueba medirá la característica de ruido de fase del analizador de espectro.

Si bien no es esencial, ayuda si el analizador de espectro tiene una rutina incorporada para la medición del ruido de fase. Muchos instrumentos de prueba modernos tienen estas rutinas integradas y pueden ser de gran ayuda.

Cómo medir el ruido de fase con un analizador de espectro

Aunque hay muchas formas de medir el ruido de fase, la más sencilla es utilizar un analizador de espectro.

Básicamente, el analizador está conectado a la salida de la unidad bajo prueba a través de cualquier atenuador adecuado necesario para reducir la potencia en el analizador (si la potencia de salida de la unidad bajo prueba es alta).

En algunos casos, puede ser necesario bloquear juntos los estándares de oscilador del analizador y la unidad bajo prueba. De esta manera, no habrá deriva de la señal, lo que podría ser un problema para las mediciones cercanas.

A continuación, el analizador se configura para medir el nivel de la señal desde la portadora; a menudo, esto puede ser desde la portadora hasta una frecuencia de 1 MHz o posiblemente más. Idealmente hasta un punto en el que el ruido haya alcanzado el piso de ruido.

El ancho de banda del analizador debe establecerse de modo que se logre un buen equilibrio entre la resolución del escaneo y el tiempo que se tarda en realizar el escaneo. El nivel de ruido se puede convertir al que se encuentra en un ancho de banda de 1 Hz.


Características del filtro y del detector del analizador

Las características del filtro y el detector del analizador de espectro tienen un impacto en los resultados de la medición del ruido de fase.

Uno de los problemas clave es el ancho de banda del filtro utilizado dentro del analizador de espectro. Los analizadores no poseen filtros de 1 Hz, e incluso si hicieran mediciones con un filtro de ancho de banda de 1 Hz, tomaría demasiado tiempo. En consecuencia, se utilizan filtros más anchos y el nivel de ruido se ajusta a los niveles que se encontrarían si se hubiera utilizado un filtro de ancho de banda de 1 Hz.

Es posible utilizar una fórmula simple para realizar un ajuste para el ancho de banda del filtro:

L1 Hz=Lfiltrar-10Iniciar sesión10(BW1)

Dónde:
L1 Hz = nivel en ancho de banda de 1 Hz, es decir, normalizado a 1 Hz, típicamente en dBm
Lfilt = nivel en el ancho de banda del filtro, típicamente en dBm
BW = ancho de banda del filtro de medición en Hz

Como la forma del filtro no es completamente rectangular y tiene una caída finita, esto tiene un efecto sobre la transformación para dar el ruido en un ancho de banda de 1Hz. Por lo general, es necesario incorporar un factor conocido para el filtro en uso para garantizar una transformación correcta.

El tipo de detector también influye. Si se usa un detector de muestreo en lugar de un detector RMS y la traza se promedia en un ancho de banda estrecho o en varias mediciones, entonces se encuentra que el ruido estará subponderado.

Los ajustes para estos y otros factores normalmente se acomodan dentro del analizador de espectro y, a menudo, se incorpora una configuración especial de medición de ruido de fase dentro de las capacidades del software.

Precauciones de medición de ruido de fase

Hay algunas precauciones importantes que debe recordar al medir el ruido de fase con un analizador de espectro.

  • Asegúrese de que no se pueda captar ningún ruido externo: El analizador de espectro mide el ruido de fase de banda lateral única y, por lo tanto, cualquier ruido de amplitud que esté presente se sumará a esto, degradando el resultado. Asegúrese de que el analizador no pueda captar ruido externo:
    • Utilice clientes potenciales filtrados: Utilice cables apantallados para todas las conexiones de señales
    • Mantener alejado de fuentes de ruido: Asegúrese de que el sistema de prueba, incluida la unidad bajo prueba, esté ubicado lejos de cualquier fuente de interferencia. Como los niveles de señal que se miden serán muy bajos para algunas frecuencias, incluso una pequeña cantidad de captación puede causar resultados erróneos.
    • ¿Habitación con mosquitero? Si hay disponible una habitación protegida por RF, puede ser posible utilizarla para realizar la prueba, asegurándose de que no se capten interferencias.
  • Ejecute la unidad bajo prueba desde la fuente de alimentación correcta: Una fuente de alimentación puede alterar considerablemente el rendimiento de ruido de los circuitos de RF. Asegúrese de que se utilice la fuente de alimentación del equipo, o al menos una con el mismo nivel de rendimiento. Las fuentes de alimentación conmutadas suelen generar más ruido que las analógicas lineales, por lo que conviene recordarlo.
  • Asegúrese de que el analizador tenga un rendimiento adecuado: Hay dos problemas principales; a saber, el ruido de fase del analizador de espectro en sí y el rendimiento del rango dinámico:
    • Rendimiento del ruido de fase del analizador de espectro: Para señales que tienen niveles muy bajos de ruido de fase, es posible que la unidad bajo prueba se acerque al rendimiento del analizador. En este caso, el ruido de fase del oscilador dentro del analizador se sumará al de la señal bajo prueba y esto distorsionará el resultado. Para evitar esto, asegúrese de que el rendimiento del ruido de fase del analizador sea al menos 10 dB mejor que el de la unidad bajo prueba.
    • Rango dinámico del analizador de espectro: El rendimiento de rango dinámico del analizador de espectro también debe ser suficiente. El analizador debe poder adaptarse al nivel de la portadora, así como a los niveles de ruido muy bajos que existen más lejos de la portadora. Es fácil comprobar si el ruido térmico es un problema. La traza del ruido de fase de la fuente de señal se puede tomar y almacenar. Usando exactamente los mismos ajustes, pero sin señal, la medición se puede repetir. Si en el desplazamiento de interés hay una diferencia clara entre los dos, la medición no se verá afectada indebidamente por el ruido térmico del analizador.

El uso de estas precauciones y cualquier otra que sea apropiada asegura que es posible obtener muy buenos resultados cuando se usa un analizador de espectro para medir el ruido de fase.

Los analizadores de espectro son instrumentos de prueba ideales para realizar mediciones de ruido de fase. Con muchos analizadores modernos de alto rendimiento que ya incorporan rutinas para realizar estas pruebas en cualquier diseño de RF o escenario de prueba, las mediciones no solo son fáciles de realizar sino también confiables.

En vista de los rigores de realizar mediciones de ruido de fase, son principalmente los instrumentos de prueba de gama alta los que pueden realizar estas mediciones y tienen las rutinas integradas. Sin embargo, es posible, con cuidado, utilizar otros analizadores de espectro de gama baja para hacer estimaciones de el comportamiento de ruido de fase de circuitos, modos y sistemas, siempre que se comprendan las limitaciones de la prueba.

Ver el vídeo: Como ecualizar con un Analizador de Espectro Tutorial en Español (Octubre 2020).