Por qué el ruido de fase es fundamental en los sistemas de comunicación

Question

Veo caro OCXO y TCXO oscilador en el mercado que se utiliza en el transceptor Milcom y Satcom. Me pregunto en qué aplicación el ruido de fase de más de -150dBc/Hz en 10KHz es crítico y cómo un rendimiento tan alto puede ayudar al sistema de comunicación frente a osciladores más baratos con -120dBc/Hz en 10KHz

Nota: No estoy preguntando por el efecto del ruido de fase en el sistema de comunicación. Pregunto para qué aplicación el ruido de fase es tan importante como para utilizar un oscilador TCXO u OCXO con un rendimiento tan alto.

Answer 1

El ruido de fase puede ser detectado por un detector de fase. Esto significa que en un receptor de FM habrá más ruido audible cuando el osc local tiene ruido de fase porque el ruido de fase se demodula en el detector de FM. Los sistemas digitales que dependen de la información de fase experimentarán mayores tasas de error. Los sistemas de AM que utilizan la detección de envolvente son relativamente insensibles al ruido de fase. Si un transmisor tiene ruido de fase, su espectro puede extenderse más de lo previsto derramándose en los canales adyacentes. El ruido de fase se puede considerar como una deriva a corto plazo. Los osciladores LC de la vieja escuela con válvulas tenían una terrible deriva a largo plazo pero un buen rendimiento de ruido de fase. Los sintetizadores tienen básicamente una deriva a largo plazo inexistente si el osc de referencia es bueno. Sin embargo, el ruido de fase puede ser muy malo. Si un VCO tiene ruido en su pin de tensión de control habrá mucho ruido de fase.

Answer 2

Para los ADC/DAC es bastante visual. Tomemos una muestra de una señal (imagen de wikipedia):

El punto en t=1 está en una parte de la forma de onda de alta velocidad de giro. El ruido de fase en tu reloj es un concepto del dominio de la frecuencia, que corresponde al jitter en el dominio del tiempo. El jitter añade ruido de tiempo al instante de muestreo.

Así, aquí, nuestra señal en t=1 tiene una tensión v y una velocidad de giro dv/dt.

Con "n" la cantidad de ruido en el dominio del tiempo (jitter) el instante de muestreo es ahora t=1+n

Así, el valor adquirido es ahora v + n dv/dt

En otras palabras el jitter de muestreo introduce ruido que es proporcional al producto del jitter y la slew rate. En el caso de los ADC rápidos con suficientes bits, el fabricante suele explicar en la hoja de datos que las especificaciones sólo se cumplirán si el reloj tiene menos de un jitter específico.

divB publicó este gráfico en los comentarios, es bastante explícito:

A esto se suma el hecho de que sólo se pueden conseguir osciladores de cristal de bajo ruido de fase a frecuencias "bajas" (según los estándares actuales). Si necesitas 1GHz, será necesario multiplicar el PLL, y como menciona Tony Stewart, esto degrada el ruido de fase. Una explicación intuitiva de esto es que el PLL no puede eliminar la fluctuación en el dominio del tiempo en el reloj original fuera de su ancho de banda del filtro, por lo que esta fluctuación también está presente en la salida, pero es mayor en relación con el período más corto de la señal de salida de mayor frecuencia. Expresado en términos de ruido de fase, esto da la ecuación citada por Tony.

Otra: aquí está su portador. Ignora la leyenda, esto es sólo una imagen de la web como ilustración.

Digamos que recibes una señal y la multiplicas por la portadora de frecuencia para demodularla. El espectro resultante es la convolución del espectro de la portadora y del espectro de la señal recibida. Esto significa que los dos picos de ruido de fase a +/- 100kHz de la portadora agarrarán el ruido en estas frecuencias y lo plegarán sobre la señal que realmente quieres. Esto degrada la SNR, especialmente en modulaciones de portadoras múltiples cercanas.

Answer 3

El ruido de fase en dB se suma por 20 (log N) cuando la frecuencia se multiplica por N desde el Xtal al PLL f out.

• Por ejemplo, derivar una señal de 1 GHz a partir de 10 MHz aumentará el ruido de fase en 40 dB.

Incluso si el oscilador de 10 MHz tiene un suelo de ruido de fase muy bajo, de -175 dBc/Hz, por ejemplo, el suelo más bajo posible a 1 GHz es de -135 dBc/Hz, incluso antes de tener en cuenta el ruido añadido por el multiplicador o el PLL.

Un XO de 10MHz más barato a -125 dBc/Hz @ 10kHz offset multiplicado con 40dB de subida a 1GHz sería -85 dBc/Hz @ 10kHz offset en teoría.

Generalmente los TCXO's tienen el mismo ruido de fase que los XO's que usan Xtals de corte AT, excepto que son piezas de compensación de temperatura de 20ppm a 1 ppm o 50 ppm a 2 o 3 ppm en un amplio rango de temperatura.

Pero los OCXO utilizan cristales de corte SC que tienen un Q de 100k~1M, comparado con los Xtals de corte AT con Q=10k+ por lo que la estabilidad f también se reduce de 20ppm a 20 ppm

Answer 4

Mientras te interesan los detalles del ruido de fase, el otro requisito que podría cumplir un OCXO o TXCO es el de un error de frecuencia absoluto. Los enlaces por satélite para órbitas LEO/MEO crearán un desplazamiento Doppler debido a la velocidad relativa del receptor y el transmisor. mantener un oscilador de referencia preciso en términos de desplazamiento de frecuencia PPM puede ayudar con un presupuesto de error de frecuencia.

Answer 5

Las radios de seguridad, utilizadas por los bomberos y la policía, deben cooperar en el lugar de los hechos. Esta cooperación requiere que el ruido de fase del transmisor no desdetermine el receptor de otro usuario; de ahí el requisito de -150dBc/rtHz con un desplazamiento de 10KHz.

Si te refieres a que el ruido de fase integrado, en un ancho de banda de 10KHz, sea de -150dBc/rtHz, es probable que se requiera debido a la multiplicación de frecuencias de 10MHz a 20.000MHz (portadora de 20GHz hacia/desde los satélites) con el requisito (como en el primer párrafo) de no de-sentir a los usuarios en canales adyacentes.