위상 노이즈

Signal Source Analyzer(SSA; 신호원아나라이저)에 의해 측정된 위상 노이즈.SSA는 위상 노이즈의 플러스 부분을 나타냅니다.이 그림에는 메인 캐리어, 다른 3개의 신호 및 "노이즈 힐"의 위상 노이즈가 있습니다.

약한 신호는 강한 신호의 위상 노이즈에서 사라집니다.

신호 처리에서 위상 노이즈는 파형의 위상에서의 랜덤 변동의 주파수 영역 표현으로, 완벽한 주기성(지터)으로부터의 시간 영역 편차에 대응합니다.일반적으로 무선 주파수 엔지니어는 발진기의 위상 노이즈를 말하는 반면, 디지털 시스템 엔지니어는 클럭의 지터로 작업합니다.

정의들

역사적으로 위상 소음에 대해서는 상충되지만 널리 사용되는 두 가지 정의가 있었다.일부 저자는 위상 노이즈를 신호 위상만의 ^[1]스펙트럼 밀도라고 정의하고, 다른 정의는 신호 ^[2]자체의 스펙트럼 추정에 따른 위상 스펙트럼(진폭 스펙트럼과 쌍)을 참조한다.두 정의 모두 반송파에서 멀리 떨어진 오프셋 주파수에서 동일한 결과를 얻을 수 있습니다.그러나 근접 오프셋에서는 두 정의가 다릅니다.^[3]

IEEE는 위상 노이즈를 $δ(f)$ = $S φ (f)/2$ 로 정의합니다. 여기서 "위상 $불안정성 φ$ " S $(f)$ 는 신호의 위상 ^[4]편차의 단측 스펙트럼 밀도입니다. $S φ (f)$ 는 단측함수이지만 "위상변동의 이중측대역 스펙트럼 밀도"^[5]^{[clarification needed]}를 나타낸다.기호 $is$ 는 (대문자 또는 대문자) 스크립트 ^[6]L이라고 불립니다.

배경

이상적인 발진기는 순수한 사인파를 생성합니다.주파수 영역에서 이는 발진기의 주파수에서 단일 Dirac 델타 함수 쌍(양 및 음의 공역)으로 표현됩니다. 즉, 모든 신호의 전력은 단일 주파수입니다.모든 실제 발진기에는 위상 변조 노이즈 성분이 있습니다.위상 노이즈 성분은 신호의 전력을 인접한 주파수로 분산시켜 노이즈 사이드밴드를 발생시킵니다.발진기 위상 노이즈에는 저주파 플리커 노이즈가 포함되는 경우가 많고 백색 노이즈가 포함될 수 있습니다.

다음 노이즈 프리 신호를 고려합니다.

v (t)

=

Acos(2µft 0).

위상 노이즈는 다음과 같이 신호에 θ로 나타나는 확률 프로세스를 부가함으로써 이 신호에 부가된다.

v (t)

=

Acos(2µft 0

+

µ(t)).

위상 노이즈는 사이클로 정지 노이즈의 일종으로 지터와 밀접하게 관련되어 있습니다.특히 중요한 위상 노이즈의 유형은 발진기에 의해 생성되는 것입니다.

위상 노이즈( $δ(f))$ 는 일반적으로 dBc/Hz 단위로 나타내며, 반송파에서 특정 오프셋을 중심으로 하는 1Hz 대역폭에 포함된 반송파에 대한 상대 노이즈 전력을 나타냅니다.예를 들어, 특정 신호의 위상 노이즈는 오프셋 10kHz에서 -80dBc/Hz이고 오프셋 100kHz에서 -95dBc/Hz일 수 있습니다.위상 노이즈는 측정하여 싱글 사이드 밴드 또는 더블 사이드 밴드 값으로 나타낼 수 있지만 앞서 설명한 바와 같이 IEEE에서는 이 정의를 더블 사이드 밴드 PSD의 절반으로 채택하고 있습니다.

지터 변환

위상 노이즈는 때때로 측정되며 특정 오프셋 주파수 범위에 걸쳐 $δ(f)$ 를 적분하여 얻은 전력으로 표현됩니다.예를 들어, 위상 노이즈는 1kHz ~ 100kHz 범위에 걸쳐 통합된 -40dBc일 수 있습니다.이 통합 위상 노이즈(도 단위 표시)는 다음 공식을 사용하여 지터(초 단위 표시)로 변환할 수 있습니다.

{{displaystyle {\text{jitter (seconds}}={\text{phase error (}}^{\text}}{\text}}{\text}}}{360^{\context}\text{주파수(헤르츠)}}}}}}

위상 노이즈가 –20 dBc/decade 기울기(리슨 방정식)를 표시하는 영역에 1/f 노이즈가 없는 경우 RMS 사이클 지터는 다음과 ^[7]같이 위상 노이즈와 관련지을 수 있습니다.

_{c}^{2}=ffrac {f^{2}{\mathcal {L}}\left(f\right)}{f_{\text{osc}^3}}}

마찬가지로:

{L}\left(f\right)=param frac {f_{\text{osc}^{3}\param _{c}^2}}{f^{2}}

측정.

위상 노이즈는 스펙트럼 분석기의 로컬 오실레이터에 대해 테스트 대상 장치(DUT)의 위상 노이즈가 큰 경우 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정할 수 있습니다.관측치는 스펙트럼 분석기 필터의 형상 계수가 아니라 측정된 신호에 의한 것임을 주의해야 한다.스펙트럼 분석기 기반 측정은 예를 들어 1Hz ~ 10MHz와 같은 수십 년 동안의 위상 노이즈 전력을 보여줄 수 있다.다양한 오프셋 주파수 영역에서 오프셋 주파수의 기울기는 소음의 근원에 대한 단서를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 10년당 30dB(= ^[8]옥타브당 9dB)에서 감소하는 저주파 플리커 소음입니다.

위상 소음 측정 시스템은 스펙트럼 분석기의 대안이다.이러한 시스템은 내부 및 외부 기준을 사용할 수 있으며 잔류(가산) 소음과 절대 소음 모두를 측정할 수 있습니다.또한 이러한 시스템은 저소음, 반송파에 가까운 측정을 수행할 수 있습니다.

스펙트럼 순도

이상적인 오실레이터의 사인파 출력은 주파수 스펙트럼의 단일 라인입니다.이러한 완벽한 스펙트럼 순도는 실제 발진기에서는 달성할 수 없습니다.위상 노이즈로 인한 스펙트럼 라인의 확산은 IF(중간 주파수) 증폭기의 필터에 의해 수신기 주파수 범위를 제한하는 목적을 달성하지 못하기 때문에 슈퍼헤테로다인 수신기의 로컬 오실레이터에서 최소화해야 합니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ Rutman, J.; Walls, F. L. (June 1991), "Characterization of frequency stability in precision frequency sources" (PDF), Proceedings of the IEEE, 79 (6): 952–960, Bibcode:1991IEEEP..79..952R, doi:10.1109/5.84972
^ Demir, A.; Mehrotra, A.; Roychowdhury, J. (May 2000), "Phase noise in oscillators: a unifying theory and numerical methods for characterization" (PDF), IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 47 (5): 655–674, CiteSeerX 10.1.1.335.5342, doi:10.1109/81.847872, ISSN 1057-7122
^ Navid, R.; Jungemann, C.; Lee, T. H.; Dutton, R. W. (2004), "Close-in phase noise in electrical oscillators", Proc. SPIE Symp. Fluctuations and Noise, Maspalomas, Spain
^ 정의 2.7을 참조해 주세요Vig, John R.; Ferre-Pikal, Eva. S.; Camparo, J. C.; Cutler, L. S.; Maleki, L.; Riley, W. J.; Stein, S. R.; Thomas, C.; Walls, F. L.; White, J. D. (26 March 1999), IEEE Standard Definitions of Physical Quantities for Fundamental Frequency and Time Metrology – Random Instabilities, IEEE, ISBN 978-0-7381-1754-6, IEEE Std 1139-1999.
^ δ(f $)$ 를 명시한 IEEE 1999, 페이지 2는 "위상 변동의 이중 측면 대역 스펙트럼 밀도의 절반"이다.
^ IEEE 1999, 페이지 2
^ An Overview of Phase Noise and Jitter (PDF), Keysight Technologies, May 17, 2001
^ Cerda, Ramon M. (July 2006), "Impact of ultralow phase noise oscillators on system performance" (PDF), RF Design: 28–34

추가 정보

Rubiola, Enrico (2008), Phase Noise and Frequency Stability in Oscillators, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-88677-2
Wolaver, Dan H. (1991), Phase-Locked Loop Circuit Design, Prentice Hall, ISBN 978-0-13-662743-2
Lax, M. (August 1967), "Classical noise. V. Noise in self-sustained oscillators", Physical Review, 160 (2): 290–307, Bibcode:1967PhRv..160..290L, doi:10.1103/PhysRev.160.290
Hajimiri, A.; Lee, T. H. (February 1998), "A general theory of phase noise in electrical oscillators" (PDF), IEEE Journal of Solid-State Circuits, 33 (2): 179–194, Bibcode:1998IJSSC..33..179H, doi:10.1109/4.658619, archived from the original (PDF) on 2015-03-05, retrieved 2021-09-16
Pulikkoonattu, R. (June 12, 2007), Oscillator Phase Noise and Sampling Clock Jitter (PDF), Tech Note, Bangalore, India: ST Microelectronics, retrieved March 29, 2012
Chorti, A.; Brookes, M. (September 2006), "A spectral model for RF oscillators with power-law phase noise" (PDF), IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 53 (9): 1989–1999, doi:10.1109/TCSI.2006.881182, hdl:10044/1/676, S2CID 8855005
Rohde, Ulrich L.; Poddar, Ajay K.; Böck, Georg (May 2005), The Design of Modern Microwave Oscillators for Wireless Applications, New York, NY: John Wiley & Sons, ISBN 978-0-471-72342-4
Ulrich L. Roade, 저소음 마이크로파 발진기 설계의 새롭고 효율적인 방법, https://depositonce.tu-berlin.de/bitstream/11303/1306/1/Dokument_16.pdf
Ajay Poddar, Ulrich Rode, Anisha Apte, "How Low Can They Go, 발진기 위상 소음 모델, 이론, 실험 검증, 위상 소음 측정", IEEE 마이크로파 매거진, Vol. 14, No. 6, 페이지 50-72, 2013년 9월/10월
Ulrich Roade, Ajay Poddar, Anisha Apte, "Getting It Measure", IEEE 마이크로파 매거진 제14권, 제6호, 페이지 73-86, 2013년 9월/10월
U. L. Roade, A. K. Poddar, Anisha Apte, "위상 소음 측정과 그 한계", 마이크로파 저널, 22-46, 2013년 5월
A. K. 포다, U.L. Roade, "수정 발진기의 위상 노이즈를 최소화하는 기술", 마이크로파 저널, 132-150페이지, 2013년 5월.
A. K. 포다, U. L. 로데, E.루비올라, "위상 소음 측정:과제와 불확실성", 2014 IEEE IMaRC, Bangalore, 2014년 12월.

[1] Rutman, J.; Walls, F. L. (June 1991), "Characterization of frequency stability in precision frequency sources" (PDF), Proceedings of the IEEE, 79 (6): 952–960, Bibcode:1991IEEEP..79..952R, doi:10.1109/5.84972

[2] Demir, A.; Mehrotra, A.; Roychowdhury, J. (May 2000), "Phase noise in oscillators: a unifying theory and numerical methods for characterization" (PDF), IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 47 (5): 655–674, CiteSeerX 10.1.1.335.5342, doi:10.1109/81.847872, ISSN 1057-7122

[3] Navid, R.; Jungemann, C.; Lee, T. H.; Dutton, R. W. (2004), "Close-in phase noise in electrical oscillators", Proc. SPIE Symp. Fluctuations and Noise, Maspalomas, Spain

[4] 정의 2.7을 참조해 주세요Vig, John R.; Ferre-Pikal, Eva. S.; Camparo, J. C.; Cutler, L. S.; Maleki, L.; Riley, W. J.; Stein, S. R.; Thomas, C.; Walls, F. L.; White, J. D. (26 March 1999), IEEE Standard Definitions of Physical Quantities for Fundamental Frequency and Time Metrology – Random Instabilities, IEEE, ISBN 978-0-7381-1754-6, IEEE Std 1139-1999.

[5] δ(f $)$ 를 명시한 IEEE 1999, 페이지 2는 "위상 변동의 이중 측면 대역 스펙트럼 밀도의 절반"이다.

[6] IEEE 1999, 페이지 2

[7] An Overview of Phase Noise and Jitter (PDF), Keysight Technologies, May 17, 2001

[8] Cerda, Ramon M. (July 2006), "Impact of ultralow phase noise oscillators on system performance" (PDF), RF Design: 28–34

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