Warum Phasenrauschen in Kommunikationssystemen kritisch ist

Phasenrauschen kann durch einen Phasendetektor erfasst werden. Dies bedeutet, dass in einem FM-Empfänger mehr hörbares Rauschen vorhanden ist, wenn der lokale Oszillator Phasenrauschen aufweist, da Phasenrauschen im FM-Detektor demoduliert wird. Digitale Systeme, die auf Phaseninformationen angewiesen sind, werden höhere Fehlerraten erfahren. AM-Systeme, die Hüllkurvenerkennung verwenden, sind relativ unempfindlich gegenüber Phasenrauschen. Wenn ein Sender Phasenrauschen hat, kann sich sein Spektrum weiter als beabsichtigt erstrecken und in benachbarte Kanäle übergreifen. Phasenrauschen kann man sich als Kurzzeitdrift vorstellen. LC-Oszillatoren der alten Schule mit Ventilen hatten eine schreckliche Langzeitdrift, aber eine gute Phasenrauschleistung. Synthesizer haben grundsätzlich keine Langzeitdrift, wenn der Referenzosc gut ist. Phasenrauschen kann jedoch sehr schlimm sein. Wenn ein VCO Rauschen an seinem Steuerspannungspin bekommt, wird es viel Phasenrauschen geben.

Für ADC/DACs ist es ziemlich visuell. Lassen Sie uns ein Signal abtasten (Bild aus Wikipedia):

Der Punkt bei t = 1 liegt in einem Teil der Wellenform mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit. Phasenrauschen auf Ihrer Uhr ist ein Frequenzbereichskonzept, das Jitter im Zeitbereich entspricht. Jitter fügt dem Abtastzeitpunkt Zeitrauschen hinzu.

Somit hat hier unser Signal bei t=1 eine Spannung v und eine Anstiegsgeschwindigkeit dv/dt.

Mit "n" ist der Betrag des Zeitbereichsrauschens (Jitter) der Abtastzeitpunkt jetzt t = 1 + n

Somit ist der erfasste Wert jetzt v + n dv/dt

Mit anderen Worten , das Abtasten von Jitter führt Rauschen ein , das proportional zum Produkt aus Jitter und Anstiegsgeschwindigkeit ist. Bei schnellen ADCs mit genügend Bits erklärt der Hersteller normalerweise im Datenblatt, dass die Spezifikationen nur erfüllt werden, wenn der Takt weniger als einen bestimmten Jitter aufweist.

divB hat diese Grafik in den Kommentaren gepostet, sie ist ziemlich explizit:

Hinzu kommt, dass Quarzoszillatoren mit niedrigem Phasenrauschen nur bei "niedrigen" (nach heutigen Maßstäben) Frequenzen erhältlich sind. Wenn Sie 1 GHz benötigen, ist eine gewisse PLL-Multiplikation erforderlich, und wie Tony Stewart erwähnt, verschlechtert dies das Phasenrauschen. Eine intuitive Erklärung dafür ist, dass die PLL Zeitbereichs-Jitter im ursprünglichen Takt außerhalb ihrer Filterbandbreite nicht entfernen kann, sodass dieser Jitter auch im Ausgang vorhanden ist, aber im Verhältnis zur kürzeren Periode der höheren Frequenz größer ist Ausgangssignal. In Phasenrauschen ausgedrückt, ergibt dies die von Tony zitierte Gleichung.

Noch eins: Hier ist dein Spediteur. Ignorieren Sie die Legende, dies ist nur ein Bild aus dem Internet als Illustration.

Angenommen, Sie empfangen ein Signal und multiplizieren es mit dem Frequenzträger, um es zu demodulieren. Das resultierende Spektrum ist die Faltung des Trägerspektrums und des empfangenen Signalspektrums. Dies bedeutet, dass die beiden Spitzen des Phasenrauschens bei +/- 100 kHz vom Träger das Rauschen bei diesen Frequenzen erfassen und auf das eigentlich gewünschte Signal zurückfalten. Dies verschlechtert das SNR, insbesondere bei mehreren nahen Trägermodulationen.

Das Phasenrauschen in dB summiert sich zu 20 (log N) , wenn die Frequenz mit N von Xtal zum PLL-Ausgang multipliziert wird.

• Beispielsweise erhöht das Ableiten eines 1-GHz-Signals aus 10 MHz das Phasenrauschen um 40 dB.

Selbst wenn der 10-MHz-Oszillator ein sehr niedriges Phasenrauschen von beispielsweise -175 dBc/Hz hat, ist das niedrigstmögliche Stockwerk bei 1 GHz -135 dBc/Hz, noch bevor das durch den Multiplikator oder die PLL hinzugefügte Rauschen berücksichtigt wird Konto.

Ein billigerer 10-MHz-XO bei -125 dBc/Hz bei 10 kHz Offset multipliziert mit 40 dB Anstieg auf 1 GHz wäre theoretisch -85 dBc/Hz bei 10 kHz Offset.

Im Allgemeinen haben TCXOs das gleiche Phasenrauschen wie XOs mit AT-Schnitt-Xtals, außer dass sie temperaturkompensierende Teile von 20 ppm bis 1 ppm oder 50 ppm bis 2 oder 3 ppm über einen weiten Temperaturbereich sind.

Aber OCXOs verwenden SC-Schnitt-Kristalle mit einem Q von 100k~1M im Vergleich zu AT-Schnitt-Xtals mit Q=10k+, sodass sich die Stabilität ebenfalls von 20 ppm auf 20 ppm verringert

Während Sie an den Besonderheiten des Phasenrauschens interessiert sind, ist die andere Anforderung, die ein OCXO oder TXCO erfüllen könnte, eine absolute Frequenzfehleranforderung. Satellitenverbindungen für LEO/MEO-Umlaufbahnen erzeugen aufgrund der relativen Geschwindigkeit des Empfängers und des Senders eine Doppler-Verschiebung. Das Halten eines genauen Referenzoszillators in Bezug auf den PPM-Frequenzversatz kann bei einem Frequenzfehlerbudget hilfreich sein.

Sicherheitsfunkgeräte, die von Feuerwehr und Polizei eingesetzt werden, müssen vor Ort zusammenarbeiten. Diese Zusammenarbeit erfordert Senderphasenrauschen, um den Empfänger eines anderen Benutzers nicht zu desensen; daher die Anforderung von -150 dBc/rtHz bei 10 kHz Offset.

Wenn Sie das integrierte Phasenrauschen in einer Bandbreite von 10 kHz mit -150 dBc/rtHz meinen, ist dies wahrscheinlich aufgrund der Frequenzvervielfachung von 10 MHz auf 20.000 MHz (20-GHz-Träger zu/von den Satelliten) mit der Anforderung (wie im ersten Absatz) erforderlich. um die Benutzer in benachbarten Kanälen nicht zu desentieren.