Vaihekohina

Sivunauhakohina on todellisen signaalin ominaisuus, jolla se poikkeaa ideaalisesta puhtaasta yksiäänisestä signaalista. Signaalia käsiteltäessä, siihen summautuu käsittelevässä laitteistossa erilaisia sen sisäisiä epälineaarisuuksia ja kohinoita, mm. paikallisoskillaattorien kohinat.

Systeemin huonoilla sivunauhakohinaominaisuuksilla voidaan pilata muutoin hyvä radio.

Koskapa kantoaallon vaiheen muutos näkyy hetkellisenä taajuuden muutoksena (spektrin sivunauhoina), toisin paikoin käytetään termiä vaihekohina (englanniksi: phase noise) 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.

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!)

Sivunauhaspektri

kuvat ja selitykset

Jitter

Jitter tai kellovärinä on digitaalisissa järjestelmissä käytettävä 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.

Sivunauhakohinan fysikaaliset lähteet

Kaikki reaaliset komponentit kohisevat hieman, tällainen kohina summautuu oskillaattorin signaaliin muuttaen hiukan sen aaltomuotoa.

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, 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!)

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.

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

Sivunauhakohinan 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.