Ruido de fase

Ruido de fase medido por analizador de fuentes de señal (SSA). La SSA muestra la parte positiva del ruido de fase. En esta imagen hay un ruido de fase del portaaviones principal, 3 otras señales y "la colina de ruido".

Una señal débil desaparece en el ruido de fase de la señal más fuerte

En el procesamiento de señales, el ruido de fase es la representación en el dominio de la frecuencia de las fluctuaciones aleatorias en la fase de una forma de onda, correspondientes a las desviaciones en el dominio del tiempo de la periodicidad perfecta (inestabilidad). En términos generales, los ingenieros de radiofrecuencia hablan del ruido de fase de un oscilador, mientras que los ingenieros de sistemas digitales trabajan con la fluctuación de un reloj.

Definiciones

Históricamente ha habido dos definiciones contradictorias pero ampliamente utilizadas para el ruido de fase. Algunos autores definen el ruido de fase como la densidad espectral de la fase de una señal solamente, mientras que la otra definición se refiere al espectro de fase (que se empareja con el espectro de amplitud) que resulta de la estimación espectral de la propia señal. Ambas definiciones producen el mismo resultado en frecuencias desplazadas muy alejadas de la portadora. Sin embargo, en compensaciones cercanas, las dos definiciones difieren.

El IEEE define el ruido de fase como ℒ(f) = S_φ(f )/2 donde la "inestabilidad de fase" S_φ(f) es la densidad espectral unilateral de una señal's desviación de fase. Aunque S_φ(f) es una función unilateral, representa &# 34;la densidad espectral de doble banda lateral de la fluctuación de fase". El símbolo ℒ se denomina escritura L (mayúscula o mayúscula).

Antecedentes

Un oscilador ideal generaría una onda sinusoidal pura. En el dominio de la frecuencia, esto se representaría como un solo par de funciones delta de Dirac (conjugadas positivas y negativas) en la frecuencia del oscilador; es decir, toda la potencia de la señal está en una sola frecuencia. Todos los osciladores reales tienen componentes de ruido de fase modulada. Los componentes de ruido de fase distribuyen la potencia de una señal a frecuencias adyacentes, lo que da como resultado bandas laterales de ruido. El ruido de fase del oscilador a menudo incluye ruido de parpadeo de baja frecuencia y puede incluir ruido blanco.

Considere la siguiente señal sin ruido:

v()t) Acos(2πf₀t).

El ruido de fase se agrega a esta señal agregando un proceso estocástico representado por φ a la señal de la siguiente manera:

v()t) Acos(2πf₀t + φ(t).

El ruido de fase es un tipo de ruido cicloestacionario y está estrechamente relacionado con la fluctuación de fase; un tipo de ruido de fase particularmente importante es el producido por los osciladores.

El ruido de fase (ℒ(f)) normalmente se expresa en unidades de dBc/Hz y representa la potencia de ruido relativa a la portadora contenido en un ancho de banda de 1 Hz centrado en ciertas compensaciones del operador. Por ejemplo, una determinada señal puede tener un ruido de fase de −80 dBc/Hz con un desplazamiento de 10 kHz y de −95 dBc/Hz con un desplazamiento de 100 kHz. El ruido de fase se puede medir y expresar como valores de banda lateral única o de banda lateral doble, pero como se señaló anteriormente, el IEEE ha adoptado la definición como la mitad de la PSD de banda lateral doble.

Conversiones de fluctuación de fase

El ruido de fase a veces también se mide y se expresa como una potencia obtenida mediante la integración de ℒ(f) en un cierto rango de frecuencias compensadas. Por ejemplo, el ruido de fase puede ser de -40 dBc integrado en el rango de 1 kHz a 100 kHz. Este ruido de fase integrado (expresado en grados) se puede convertir en fluctuación (expresada en segundos) utilizando la siguiente fórmula:

(segundos))=error de fase (∘ ∘ )360∘ ∘ × × frecuencia (hercios){displaystyle {text{jitter (seconds}})={frac {text{phase error (}{}{}{circ }{text{}}}}}}{360^{circ - ¿Qué?

En ausencia de ruido 1/f en una región donde el ruido de fase muestra una pendiente de –20 dBc/década (ecuación de Leeson), el ciclo RMS la fluctuación de fase se puede relacionar con el ruido de fase mediante:

σ σ c2=f2L()f)fosc3{displaystyle sigma {f} {f} {f}} {f}} {f}} {f} {f}} {f}} {f}}}}}}} {f}}}

Del mismo modo:

L()f)=fosc3σ σ c2f2{displaystyle {Mathcal {L}left(fright)={frac {f_{text{osc}}{3}sigma ¿Qué?

Medición

El ruido de fase se puede medir con un analizador de espectro si el ruido de fase del dispositivo bajo prueba (DUT) es grande con respecto al oscilador local del analizador de espectro. Se debe tener cuidado de que los valores observados se deban a la señal medida y no al factor de forma de los filtros del analizador de espectro. La medición basada en el analizador de espectro puede mostrar la potencia del ruido de fase durante muchas décadas de frecuencia; por ejemplo, 1 Hz a 10 MHz. La pendiente con la frecuencia de compensación en varias regiones de frecuencia de compensación puede proporcionar pistas sobre la fuente del ruido; por ejemplo, el ruido de parpadeo de baja frecuencia disminuye a 30 dB por década (= 9 dB por octava).

Los sistemas de medición de ruido de fase son alternativas a los analizadores de espectro. Estos sistemas pueden utilizar referencias internas y externas y permiten medir tanto el ruido residual (aditivo) como el absoluto. Además, estos sistemas pueden realizar mediciones con poco ruido y cerca de la portadora.

Pureza espectral

La salida de onda sinusoidal de un oscilador ideal es una sola línea en el espectro de frecuencia. Tal pureza espectral perfecta no se puede lograr en un oscilador práctico. La dispersión de la línea de espectro provocada por el ruido de fase debe minimizarse en el oscilador local para un receptor superheterodino porque anula el objetivo de restringir el rango de frecuencia del receptor mediante filtros en el amplificador de IF (frecuencia intermedia).