Vaihekohina

Vaihekohina (englanniksi: phase noise) on todellisen oskillaattorin tuottaman signaalin ominaisuus, jolla se poikkeaa ideaalisesta puhtaasta yksiäänisestä signaalista. Signaalin vaiheen muutos näkyy spektrissä hetkellisenä taajuuden muutoksena, kuten PhM:n yhteydessä onkin kerrottu.

Koskapa kantoaallon vaiheen muutos näkyy hetkellisenä taajuuden muutoksena (spektrin sivunauhoina), toisin paikoin käytetään termiä sivunauhakohina ja lähinnä digitaalisten järjestelmien tapauksessa termi on vaihevärinä tai kellovärinä (englanniksi: phase jitter ja clock jitter) puhuttaessa kellosignaalin muutoshetkien poikkeavuudesta ideaalisesta tasavälisestä aika-arvosta.

Erittäin hitaita signaaleja tuottaessa ja etsiessä tarvitaan ominaisuuksia joita kutsutaan termeillä taajuusstabiilisuus tai vaihestabiilisuus. Nekin ovat sivunauhakohinan ilmenemismuotoja, kun ollaan millihertsien tai mikrohertsien päässä kantoaallosta tai kääntäen tutkittaessa minuuttien tai jopa kuukausien aikaskaaloilla oskillaattorin taajuuden muutoksia. Pitkien aikajaksojen tapauksissa puhutaan yleensä oskillaattorin Allen-varianssista.

Signaalia käsiteltäessä, siihen summautuu käsittelevässä laitteistossa erilaisia sen sisäisiä epälineaarisuuksia ja kohinoita, mm. paikallisoskillaattorien kohinat.

Systeemin pääoskillaattorin huonoilla sivunauhakohinaominaisuuksilla voidaan pilata muutoin hyvä radio.

Merkitys radiossa

Radiossa sekoitetaan (ks. sekoitin) kiinnostavaa signaalia paikallisoskillaattorin signaalilla ja ne muodostavat sekoitustuloksen, jossa äärimmäisen puhdaskin lähetesignaali muuttuu muodoltaan paikallisoskillaattorin spektrikuvaksi (plus hieman päälle.)

Jos halutaan kuulla heikkoa signaalia jonkin voimakkaan vierestä, tarvitaan sekoitin joka sietää suuria signaalitasoja ja jonka dynamiikka on erinomaisen suuri. Samoin tarvitaan stabiili ja puhdas paikallisoskillaattori.

Sanokaamme että kiinnostava signaali on 100 Hz sivussa äänekkäästä signaalista ja se on myös 60 dB alle äänekkään signaalin tason. Jos paikallisioskillaattorin sivunauhakohina 100 Hz kohdalla on -60 dBc, heikko asema hukkuu kokonaan vahvan alle. (Olettaen että kummallakin on äärimmäisen spektripuhdas lähete.) (Yksi S-yksikkö on 6 dB, S0 vs. S9 on 60 dB ... tuollainen S0 signaali on helposti kuultavissa!)

Lähetettäessä huono paikallisoskillaattorin vaihekohinaominaisuus näkyy lähetettävän signaalin "suttuisuutena" ja vaikeutena saada siitä selvää.

Sivunauhaspektri

kuvat ja selitykset

Jitter

Jitter tai kellovärinä tai ajoitusvärinä on oskillaattorin laadun mittaväline. Se näkyy sivunauhaspektrissä ylimääräisenä kumpuna.

Se näkyy myös I/Q-tasossa moduloidun signaalin modulaatiopisteiden värinänä nimellisen sijaintinsa ympärillä, joka puolestaan vaikeuttaa signaalin demodulointia.

Vaihekohinan fysikaaliset lähteet

Vaihekohinan ilmenemismuodoilla on erilaisia syntymekanismeja.

• Nopeat kaoottiset mekanismit lasketaan yleensä kohinoiksi
• Pitkäjaksoiset (minuutti ja pidemmät) ovat tyypillisesti lämpötilaan ja komponenttien vanhenemiseen liittyviä

Kaikki reaaliset komponentit kohisevat hieman, tällainen kohina summautuu oskillaattorin signaaliin muuttaen hiukan sen aaltomuotoa ja aaltomuodon muutos näkyy taas signaalille ilmestyneinä sivunauhoina.

Kaikilla komponenteilla on myös hieman epälineaarisuutta, jotkin kondensaattorit ovat merkittävästi jänniteriippuvia, puolijohteilla on myös vastekäyrässään epälineaarisuutta jolloin oskillaattorin (tai minkä tahansa vahvistimen) transistorit muuttavat läpi kulkevaa aaltomuotoa.

Jotkin komponentit ovat myös herkkiä ympäristön mekaaniselle värinälle, joka sitten näkyy mikrofonisuutena, eikä sellaisia materiaaleja voi suositella oskillaattorin kondensaattoreihin. Esimerkiksi laitteen tuuletin saattaa tärinällään tuottaa oman modulaationsa mittasignaaliin.

Jotkin komponentit ovat herkkiä myös magneettikentille, jotka nekin saattavat kytkeytyä oskillaattorin värähdyspiiriin omilla modulaatioillaan. (Tällaisia ovat tietysti kelat, mutta mahdollisesti myös monet puolijohteet HALL-efektin ansiosta, sekä magnetostriktiiviset/ferrosähköiset eristekeraamit kondensaattoreissa!)

Kiteillä on sääntönä "paksumpi on parempi", sellaiset kiteet ovat yleensä "SC"-leikattuja ja toimintataajuus on luokkaa 1-5 MHz. Ohuet "AT"-leikatut kiteet ja etenkin ns. yliaaltokiteet kohisevat sisäisesti melko voimakkaasti, jolloin esim. 100 MHz tietämillä käyvän kiteen spektrissä on selvästi pienempitaajuista kidettä voimakkaampi kohinataso.

Komponentit ovat vaihtelevassa määrin lämpötilaherkkiä, tämä kannattaa huomioida erityisesti kondensaattorien kanssa ja valita oskillaattoreihin C0G/NP0 tyyppisiä keraamisia kondensaattoreita, jos parempia ei löydy (esim. Lasisia !).

Kaikissa systeemeissä haluttuun signaaliin summautuu (AM moduloituu) virtalähteen kohinat, joten hyvä vahvistin (ja oskillaattori) vaatii myös vähäkohinaisen virransyötön.

Pitkillä aikaskaaloilla komponenttien vanheneminen ja ympäristön lämpötilan hitaat muutokset näkyvät myös oskillaattoreissa. Näitä voidaan kuitenkin kompensoida melko helposti.

PLL-systeemeissä ulostulevassa signaalissa on yleensä mukana spektrissä näkyvä sivu-olake, joka on syntynyt vaihelukon ohjaussilmukasta ja sen vastenopeuksista. Pääsääntönä voidaan pitää että mitä korkeammalla taajuudella vaihevertailu tehdään, sitä edullisemmassa paikassa kyseiset olakkeet ovat - ne menevät kauemmas oskillaattorin taajuudesta ja teholtaan alemmas.

Vaihekohinan mittaaminen

Periaatteessa tämä on helppoa, kunhan löytyy sopiva mittakalusto.

Vastaanottotestissä tarvitaan:

• Spektripuhdas 1/2/3-tone RF-signaaligeneraattori
• Tutkittava laite
• Spektripuhdas (tai ainakin tutkittavaa laitetta puhtaampi) signaalin vastaanotin

Radiovastaanottimien sivunauhakohinoita mitattaessa on yleensä käytössä SSB-mode, RF-mittasignaali ja tutkitaan radiosta ulos tulevaa audiospektriä. Usein mukana on myös "refrenssivastaanotin", jolla varmistetaan mittalaitteiston pysyminen kalibraatioissaan.

Mittaamisen aluksi säädetään signaalitasot sopiviksi siten, että ne ovat mahdollisimman suuret ja missään vaiheessa ei esiinny signaalin leikkaantumista sen amplitudin noustessa suuremmaksi kuin mihin vahvistinketjut - tai äänikortin ADC - kykenevät.

Mittaamisessa kerätään testisignaalia tietokoneeseen minuutti tai pari nopeudella noin 44 kHz. Kerätylle signaalille tehdään Fourier-muunnos (FFT) jolla kerätty aikatason (time domain) signaali muunnetaan spektriksi (taajuustasoon, frequency domain). Lopuksi mittalaitteiston oma tunnettu spektri voidaan "vähentää" (dekonvoluoida) mitatusta spektristä ja saadaan tutkittavan laitteen sivunauhakohinaspektri.

Lähetystestissä tarvitaan:

• Audiotaajuinen 1/2/3-ääni generaattori (0.5-2.2 kHz)
• Tutkittava laite
• RF tehovaimennin
• Refrenssivastaanotin spektripuhtaalla paikallisoskillaattorilla

Mittaaminen on samanlaista vastaanottimen ominaisuuksien mittaamisen kanssa, palikat ovat vain hiukan eri järjestyksessä.

Keinoja tuottaa vähäistä vaihekohinaa

Peukalosääntöjä joihin paneutumalla saadaan puhtaampaa spektriä:

1. Tee vähäkohinainen virtalähde ja syötä sillä oskillaattoripiirin omaa kohinaa vähentävää shunt-regulaattoria. Saat "helpolla" 60 dB vähennyksen virtalähteestä tuleviin suhinoihin
2. Kiinnitä tarkkaa huomiota virranjakopuuhun ja maaverkkoon, mahdollisesti yhdistä oskillaattorin maa vain yhdessä kohdassa muun systeemin maahan ja vie sekä käyttösähköt että oskillaattorin tulos olos samasta kohdasta piirilevyä pitäen oskillaattorin kohdan maa-alueet erillään muusta maa-alueesta
3. Lämpötilastabilisoi oskillaattorisi — "uunitus" on hyvä alku
4. Käytä kondensaattoreina C0G/NP0 keraameja
5. Käytä matalataajuista kidettä (1-5 MHz), mieluiten SC-leikattua mallia jonka taajuudenmuutos on hitainta +60C tai +80C lämpötilassa, eli se on tarkoitettu "uunitettavaksi" mainitussa lämpötilassa
6. Aseta vahvistinelementin toimintapiste ns. A luokkaan erinomaisen lineaariselle alueelle
7. Suunnittele kytkentä käyttämään mielummin pieniä vastuksia, kuin isoja. Vastuksen kohina on suunnilleen suhteessa sen yli vaikuttavan jännitteen ja vastusarvon tuloon.
8. Älä tavoittele maailman vähäisintä oskillaattorin virtaa, tarvittavat vastukset ovat isoja ja ne kohisevat enemmän, myös vahvistinelementti toimii todennäköisesti voimakkaan epälineaarisella alueella
9. .. kytkennöistä ..

Keinoja tuottaa runsaasti vaihekohinaa

Tapoja jolla varmasti saa huonoja tuloksia — jos ei ole tarkoitus tehdä kohisevaa oskillaattoria.

• Ruoki IF-lokaaliasi samalla virralla millä ruokit digitaalikalustoa (prosessorit, yms) ilman mitään kohinanvähennys-regulointia

Ulkoisia viitteitä

• http://oh8ta.oulu.fi/palvelut/pdf/Vaihekohina_radiojarjestelmissa.pdf