فهم نواة المرحلة في مولدات الإشارة وأثرها على القياسات

أساسيات المرحلة: رؤية التردد

تحديد المرحلة في الوقت والتواتر

وضوضاء المرحلة هي المصطلح المستخدم لوصف التقلبات العشوائية القصيرة الأجل في مرحلة الإشارة المتعمدة، وفي الوقت المحدد، تبدو هذه التقلبات وكأنها جيتو - تغريم في الأوقات الصفرية من التزحلق الموجي، غير أن المهندسين كثيرا ما ينتجون ضوضاء ذات تردد في نطاق الترددات الواقعية، حيث يتجلى ذلك كناقلات جانبية تدور حول خط التردد.

والمقياس القياسي للضوضاء على المرحلة هو dBc/Hz] (العلامات المتعلقة بالناقل لكل هرتز من زوايا الترددات) مثلاً، تحديد مواصفات ضوضاء المرحلة التي يبلغ عددها 120 كيلو متراً يومياً في 10 كيلو مترات من الهرتز، وهو ما يعني أن جهازاً واحداً من أجهزة التحكم في الترددات القصوى يقل عن 120 كيلو متراً.

قريب من درجة حرارة

إن طيف الضوضاء في المرحلة غير مسطح، وهو مقسم عادة إلى مناطق مُقابلة من الناقل، حيث إن الضوضاء في المرحلة القريبة (في عدد قليل من الكيلورتز) تهيمن عليها الضوضاء العالية التي كثيراً ما يُشار إليها بالضوضاء 1/و، وفي الوقت المناسب، فإن هذا يتوافق مع الصاروخ الطويل الأجل (بينما يُعدّ الصاروخ من الرادارات) عادة بسبب الضوضاءة البيضاء (الية).

العلاقة بين نواة المرحلة والجليسة

وفي حين أن الضجيج في المرحلة هو بارامتر تواتر، فإن العديد من التطبيقات الرقمية تحدد جليسة (في الثانية أو الثانية) وكلاهما مرتبطان بالرياضيات: يمكن حساب جليسة الجليس بدمج الكثافة الضوضاء في مرحلة معينة على نطاق الترددات المعاوضة، وهذا التكامل يحول طاقة الضوضاء إلى انحراف زمني في نطاق الترددات المتوسطة، إذ أن ملامح الضجيج في مرحلة معينة تتوقف على التكاثر الترددي.

مصادر وأنواع أرقام المرحلة في مولدات الإشارة

علم الأحياء

والمصدر الرئيسي للضوضاء في أي مولد للإشارة هو المشرف المرجعي، إذ أن المفترسات البكتريات (XO، TCXO، OCXO) تقدم أداءً مؤثراً في الضوضاء المرحلة العليا، ولا سيما قرب الناقل، وتحصل أجهزة التصفيق التي تخضع للمراقبة على أقل درجة من الضوضاء، وذلك باستقرار درجة الحرارة الكريستالية، والحد من الضجيجات التي تتحكم فيها حركة المركبات.

عنصر نشط وعاطفي

فالأنشطة المضللة والحواجز والتقسيمات في مسار الإشارة تسهم جميعها في الضوضاء التدريجية، إذ أن أجهزة التبريد ذات النطاق الثنائي تميل إلى أن تكون ضوضاء أقل من الضوضاء التي تصيب الفولط، وهذا هو السبب في أن المناظير العالية التردد تستخدم في كثير من الأحيان عناصر متفاوتة من النوع BJTs.

العوامل البيئية

فالتغيرات في درجة الحرارة، والاهتزاز الميكانيكي، والتدخل الكهرومغناطيسي يمكن أن تؤدي جميعها إلى ظهور ضوضاء في المرحلة، وعلى سبيل المثال، قد يتعرض مولد للإشارة يوضع بالقرب من معجب التبريد لضوضاء ناجمة عن الاهتزاز في تردد المروحيات، كما أن العديد من المولدات العالية الأداء تستخدم محركات الاصطناعية للصدمات والزواحف لتقليل الانقلاب الميكانيكي.

كيف تؤثر المرحلة في الأداء والمقاييس

الأثر على استقبال المعلومات في نظم الاتصالات

وفي نظم الاتصالات الحديثة - أي خلية (G/5G)، أو جهاز الواي فاي، أو جهاز السواتل - يضعف مباشرة قدرة جهاز الاستقبال على كشف الإشارات الضعيفة في وجود أجهزة متاخمة قوية، ويسمى هذا الخلط بين أجهزة الترددات الدنيا والصوت، حيث تُحدث ضوضاء شديدة في الترددات، حيث تُستخدم الضوضاء في إطار الترددات المتوسطة (L.T.0).

وعلاوة على ذلك، ففي مخططات التناوب الرقمي مثل نظام الحد من الكبريت، تسبب الضوضاء في مراحل التناوب نقاط التناوب، مما يزيد من حجم ناقلات الأخطاء، ويجعل من المستحيل تحقيق تغيير في المستويات العالية (مثلا، 256-QAM أو 1024-QAM) ومعدلات البيانات المرتبطة بها، ويجب على المهندسين الذين يختبرون هذه النظم أن يكفلوا مرحلة اختبارات جيدة.

تجهيز الرادار ودوبلر

كما أن نظام الرادارات يتسم حساسية خاصة إزاء الضجيج في مرحلة قريبة، وفي رادار دوبلر، تتحول الإشارة الواردة من هدف متحرك إلى تردد ذي تأثير في دوبلر، ويجب اكتشاف هذا التحول في الترددات الصغيرة (التي تقل في كثير من الأحيان عن كيلوهرتز) في وجود عمليات عودة واسعة النطاق من الأجسام الثابتة، وإذا كان جهاز الإرسال يُعد ضوضاء شديدة في المرحلة القريبة، فإن النطاقات الجانبية المعروفة هي الخفية يمكن أن تخفي

اختبار العناصر والنظم لإطار النتائج

فعندما يستخدم المولد اللامح كحافز اختباري، تصبح الضوضاء في مرحلة المولد جزءا لا يتجزأ من دقة القياس، مثلا عندما يكون قياس الضجيج الظاهر لجهاز تحت الاختبار )DUT( مع معامل تحلل الطيف، فإن درجة الضوضاء التي يُجرى عليها اختبار التحلل قد تهيمن على درجة أعلى من درجة الضوضاء الاصطناعية، وهذا هو السبب في أن اختبارات الضوضاء في مرحلة الاختراق يمكن أن تحقق من أسلوب قياس الضوضاء.

Clock Digital Jitter in High-Speed Data Systems

وفي حين تركز المادة الأصلية على نموذج الإبلاغ المائي، فإن الضوضاء التدريجية لها نفس القدر من الأهمية في النظم الرقمية، فالوصلات التسلسلية العالية السرعة (الجهاز المركزي، وشبكة الإثيرات، وما إلى ذلك) تعتمد على إشارات الساعة إلى بيانات العينة، ويقلل الجليس من هوامش التوقيت، ويتسبب في أخطاء طفيفة، وتترجم الضوضاء التدريجية لمولدات الترددات الكهربائية المنخفضة والثبطاقات العشوائية.

قياس المرحلة: التقنيات وأفضل الممارسات

طريقة سبيكتروم المباشرة

وأبسط طريقة لقياس الضوضاء في المرحلة هي تحليل الطيف باستخدام جهاز تحليل الطيف، وتُدرج الإشارة في جهاز التحليل، وتُقاس الضوضاء الجانبية الضوضاء بالنسبة للناقل في ترددات مختلفة قابلة للتعويض، ولا يمكن لهذه التقنية أن تعمل إلا إذا كانت الضوضاء في مرحلة التحليل أقل بكثير من الضوضاء التي تصدرها الدائرة، وبالنسبة للعديد من المولدات الحديثة للضوضاء التي تقل فيها تدريجيا عن ١٣٠ كيلو مترا.

The Phase-Locked Loop (PLL) Method

وتستخدم طريقة " بيل " أداة مرجعية (عادة ما تكون ضوضاء المرحلة أفضل من " DUT " ) لتقليل الإشارة إلى " DUT " إلى " فولت " ذي نطاق أساسي " ، وهو ما يتناسب مع الفرق التدريجي، ثم يتم تحليل الفولط الذي ينتج عنه مع وجود خلل في الطيف المنخفض التردد، ويفصل هذا النهج بين الترددات عن الضجيج الناعي، ويسمح بأن تكون أدنى من الحدود الدنيا بكثير، وذلك لأن الإشارة إلى ذلك لا تتطلب إلا.

قياس درجة التضليل عبر مسارات

(أ) استخدام معيار [الذهب لقياس درجة الضوضاء العالية الدقة]، وهو تقنية التصحيح المتداخل، كما يستخدم قناتين قياس مستقلتين ولكن متطابقتين اسمياً، كل منهما مع جهازه الخاص بالمزيج والمراجع، والنواتج ذات صلة شاملة في جهاز رقمي، وبما أن الضوضاء من القناة غير مرتبطة بالمقياس، فإنه يمتد إلى الصفر، بينما يكون الضجيج في المختبر أقل من 80.

مجموعة تدابير عملية

وبغض النظر عن الطريقة، تشمل المجازف المشتركة ما يلي:

• Impedance mismatches:] Use high-quality cables and attenuators to ensure proper termination and minimize reflections that can add spurious noise.
• Power level and saturation:] Overdriving a mixer or spectrum analyzer can create harmonics and increase noise floor. always operate within manufacturer-specified input ranges.
• Ground cycles:] Use coaxial isolators or balanced connections to break ground cycles that introduce 50/60 Hz hum and harmonics.
• Temperature stability:] Allow the DUT and measurement equipment to warm up to stable operating temperature; thermal drift can look like low-frequency phase noise.

For a thorough treatment, Keysight’s phase noise application note] remains a traditional reference.

استراتيجيات التقليل إلى أدنى حد من الأرقام التدريجية في مولدات الإشارة

اختيار المشرف الأيمن

أكثر الطرق مباشرة للحد من الضوضاء في المرحلة هو اختيار مولد إشارة يستخدم مشعلاً داخلياً عالي الجودة، وبالنسبة لمولدات الترددات الفوقية، تبحث عن نماذج تستخدم جهازاً مُصففاً مُتحكماً به في الفرن، مع ضوضاء مُحدَّدة تحت - 140 د/هرتز في 10 كيلو مترات (لناقل جيهرتز) وتسمح بعض المولدات بمدخلات مرجعية خارجية، حتى لوت درجة حرارة أقل

تكييف وشحنات الإمداد بالطاقة

ويجب أن يولي المصممون اهتماماً لمرشحي إمدادات الطاقة، واستخدام مراحل متعددة من أجهزة التنظيم ذات النتائج المنخفضة مع الرفض المتطور بدرجة عالية، ويمكن إبعاد محول مشغل الصوت التابع للشركة عن وحدة المشرفين مع حزام الحماية والخصوبة الملائمة، وينبغي أن يكون ميناء الإنتاج في حالة عزلة كبيرة عن دائرة المولدات الكهربائية لمنع سحب الضجيج الخارجي وضخ الضجيج الخارجي الضجيج.

التخزين وخفض الطمر

وتشمل بعض المولدات التي تعمل بالأشعة أجهزة التتبع التي تعمل في الداخل والتي تقلل من المحتوى المتناسق والإشارات التطهيرية، وتعني الملامح الأقل احتمالاً للتلوث بالضوضاء القريبة من الكارتر، وفي حين أن المرشّحات لا تقلل من الضوضاء الأساسية، فإنها يمكن أن تزيل منتجات الخلط غير المرغوب فيها التي قد تُساء تفسيرها على أنها ضوضاء في مرحلة القياس، وفي المولدات الرقمية (D أو التركيب الرقمي المباشر) كثيراً ما يشمل الإنتاج الضوضاءة الاختناقية الكمية.

المعايرة والصيانة

ويمكن أن يتحلل أداء المولدات التي تحمل إشارات على مراحل مع مرور الوقت بسبب ارتفاع حجم المكوّنات أو الانجراف البلوري أو تلوث الموصلات، كما أن العيار المنتظم (من 12 إلى 24 شهراً) يكفل بقاء المنظف الداخلي في حدود المواصفات، وقد يلزم إعادة تحديد بارامترات حلقة بيل بعد إجراء الإصلاحات، وبالنسبة للقياسات الحرجة، يمكن أن يلحق أي فحص سريع للضوضاء على المرحلة باستخدام مصدر ثابت معروف المشاكل قبل أن يؤثر على النتائج.

الاعتبارات العملية للمهندسين: المفاضلات وصنع القرار

المرحلة " نواة " ضد معايير الأداء الأخرى

وينبغي للمولدات الإشارةية أن توازن في كثير من الأحيان بين الضوضاء في المرحلة من مواصفات أخرى مثل نطاق التردد، وسرعة التبديل، وطاقة الإنتاج، والأداء الناجع، مثلاً، فإن جهازاً واسع النطاق من طراز VCO يمكن أن يُنقش من 2 إلى 18 غيغاهيرتز سيكون له ضوضاء أكبر من الضوضاء ضيق النطاق VCO يغطي فقط 10-11 غيغاهيرتز.

ترجمة شفوية لصحيفة البيانات

وكثيرا ما تقدم مواصفات الضوضاء في مرحلة " بي سي " في حالة واحدة (مثلاً، 110 د.ب/هز) على سبيل المثال، ولكنها قد تغفل تواتر الناقل وشروط الاختبار، كما أن نفس المنظف الذي يُستخدم في تردد أقل من الناقل سيصدر ضوضاء مفصَّلة على الناقل لأن مقادير النطاق الجانبي هو جزء أكبر من الناقل، ويتحقق دائماً من مؤامرة الضوضاء المرحلة (المقدمة عادة في الدليل)

متى تستخدم المراجع الخارجية

وإذا كان قياسكم يتطلب ضوضاء منخفضة للغاية لا يمكن لمولد الإشارة أن يجتمع، والنظر في استخدام مشعل مرجعي خارجي منخفض الدقة )مثلاً، ساعة ذرية من طراز روبيديوم أو أقساط من طراز OCXO( كمدخل مرجعي للمولدات، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين الضوضاء المتقاربة من ١٠ إلى ٢٠ درجة مئوية، لأن مدخلات المولدات الداخلية من طراز PL تقسم الضوضاء الخارجي إلى أعلى ولكن كثيراً ما تزيل الضوضاء الضوضاءة الخارجية.

التكلفة مقابل الأداء

إن المولدات المنخفضة الترددات باهظة الثمن، إذ يمكن أن تتراوح الأسعار بين بضعة آلاف دولار للنماذج الأساسية إلى أكثر من 000 100 دولار للصكوك التي تستخدم في علم القياس، وقبل الاستثمار، تقييم احتياجات الضوضاء في المرحلة الأولى من اختباركم الأكثر أهمية، وإذا كان اختبارك يتطلب فقط - 100 د/خ/هرتز في 10 كيلوهرتز (مناسبا لكثير من اختبارات الترددات الأساسية)، فإن المولدات المتوسطة المدى تكفي لإجراء اختبارات العالية.

الاستنتاج: التحكم في الأرقام المتعلقة بالمرحلة بالنسبة للتقياسات الموثوقة

إن الضجيج في المرحلة هو ملكية أساسية لمولدات الإشارة التي يمكن أن تقوض بشكل هادئ دقة حتى أكثر التجهيزات دقة للاختبارات تصميماً دقيقاً، وبفهم أصولها من تصميم الماشية والضوضاء المكوّنة إلى العوامل البيئية، فإنكم تكتسبون القدرة على توقع آثار طيفها والتخفيف منها، وتدركون كيف تؤثر الضوضاء على تطبيقات مختلفة، مثل حساسية أجهزة الاستلام، وتجهيز أجهزة الرادار، ومجلة الرقمية ذات السرعة العالية، تساعدكم على تحديد أولويات متطلباتكم عند اختيار تقنيات الاختبار.

الخطوات التي ينبغي اتخاذها لتقليل الضوضاء في المرحلة إلى أدنى حد: اختيار مولد له مشعل داخلي منخفض الدقة، وضمان الطاقة النظيفة والدرع الجيد، واستخدام ممارسات القياس السليمة، والحفاظ على معايرة منتظمة، ولكن ربما يكون أهم وسيلة لمعالجة الضوضاء في المرحلة التجريبية كمعيار اختباري في حقه الخاص، حيث ستتحقق من إنتاج الطاقة، والدقة، والتشويه الحادي، وذلك بجعل الضجيج التدريجي جزءاً من عملية التقييم الأكثر أهمية.