השוואת טוהר ספקטראלי במחוללי אותות בתדרי מיקרוגל

Leonard Dickstein Giga-tronics Incorporated

מבוא
לאות אידיאלי אין רעש מופע, הרמוניות או רכיבי תדר כוזבים (spurious) הקשורים אליו. למרבה הצער, אות אידיאלי לא קיים בעולם הממשי, וגורמים אלה פוגעים במידה מסוימת בטוהר הספקטראלי של כל האותות בעולם הממשי. מחוללי  אותות מיקרוגל איכותיים מתוכננים למרב את הטוהר הספקטראלי, עם רמות נמוכות מאוד של רעש מופע, הרמוניות ואותות כוזבים (spurs), תוך שמירה על הגמישות בשימוש כללי. רמות ביצועי הטוהר הספקטראלי הן אחד ההבדלים המהותיים בין מחוללי אותות בעלי איכות גבוהה, בינוניים וברמה נמוכה (רמת-כניסה). מאמר זה דן בגורמים המשפיעים על מפרטי הטוהר הספקטראלי כדי לסייע לקורא לערוך השוואות מושכלת יותר של ביצועי מחוללי אותות במיקרוגל המיועדים ליישומי בדיקה ומדידה.

רעש מופע
רעש מופע מתייחס לשינויים המהירים, האקראיים, במופע האות, והוא מבוטא בד”כ כערך המנורמל לרוחב פס של 1 הרץ ובתדר היסט (offset) נתון מרוחק מתדר האות וביחס לאמפליטודת האות. ניתן לבטאו כמספר (כגון -100 dBc/Hz ב-10 גיגה-הרץ והיסט של 10 קילו-הרץ), אך הוא מוצג גם כגרף של רעש המופע כנגד תדר ההיסט עבור תדר אות אחד או יותר. בעוד הצפיפות הספקטראלית היא דו-צדדית מסביב לתדר האות או הנושא, כפי שניתן לראות בתצוגה של נתח ספקטרום, רעש המופע של מחוללי אותות במיקרוגל מוצג לרוב כגרף של צד אחד בלבד, ומכונה רעש מופע בפס-צד יחיד  (single side-band – SSB). ראה איור 1.
הציר האנכי הוא יחס רעש המופע לתדר הנושא ב-dBc/Hz כאשר ערך נמוך יותר הוא עדיף. הציר האופקי הוא ההיסט מתדר הנושא בהרצים כאשר היסטים במרחק מ-1 הרץ ל-100 הרץ מהנושא מכונים “קרובים” (close-in) והיסטים במרחק מ-100 קילו-הרץ עד 10 מגה-הרץ מהנושא מכונים “רחוקים” (far-out). רעש מופע קרוב לנושא מהווה בעיה ביישומים בהם האות מנוצל כמתנד מקומי ועלול להגביל את רגישות המקלט או כאשר האות משמש כשעון ועלול להגביל את ביצועי ה-bit error rate . רעש מופע מרוחק מהנושא מהווה בעיה במערכות תקשורת רחבות-פס בתור מעלה את רצפת הרעש ומגביל את יכולת המערכת לשחזר אותות חלשים. רעש מופע קרוב הוא קריטי לעתים קרובות ביישומי חלל והגנה דוגמת מכ”ם בעל רזולוציה גבוהה, בעוד רעש המופע הרחוק הוא קריטי לעתים קרובות בתקשורת אלחוטית דיגיטלית רחבת-פס.
כאשר משווים ביצועי רעש מופע של מחולל אותות מיקרוגל, חשוב להבין שמפרטי דף הנתונים עשויים להטעות כאשר משווים רק את ערכי רעש המופע. לדוגמה, איור 2 מציג השוואה של נתונים מדודים עבור שלושה מחוללי-אותות מיקרוגל איכותיים מתחרים, הלקוחים באותו תדר נושא.
שים לב שביצועי שלושת המסנתזים השונים חופפים ואף אחד מהם איננו טוב יותר משמעותית בשום מקום. כל שלושת המוצרים מציגים ביצועי רעש מופע טובים מאוד. חשוב לציין שבעוד ההיסט של 10 קילו-הרץ מהנושא משמש לרוב לצורכי השוואה, לא יהיה בכך הבדל קריטי עבור יישומים רבים, בין אם רעש המופע הקרוב או הרחוק שולט. יצרן מחוללי-אותות עשוי למטב את ביצועי רעש המופע שלהם לצורכי מפרט מרשים בהיסט של 10 קילו-הרץ, תוך פגיעה בביצועים הן באזור הקרוב והן ברחוק, כמו ב”מסנתז 2” בדוגמה. אם כי שלוש החברות בדוגמה עשויות להצהיר על רעש מופע הנמוך ביותר בנקודה מסוימת, יותר משמעותי הוא להביא בחשבון את כל התחום וכיצד הוא עונה לתרחישי הבדיקה המיוחדים שלכם.
לעתים אפשר לגלות יצרן המכריז על רעש מופע של מסנתז תדרים בהיסט של 100 קילו-הרץ ולא בהיסט של 10 קילו-הרץ, וזאת רק כדי להציג את ביצועי רעש המופע שלהם כטובים יותר, או שהם מציגים רעש מופע מבלי לפרט את תדר הנושא או את ההיסט, דבר שהוא מעורפל ובעל ערך מפוקפק.
כמתואר באיור 1 בעזרת חמשת הגרפים עבור חמשת תדרי הנושא השונים, רעש המופע ברוב מחוללי האותות מיקרוגל עולה כאשר תדר הנושא עולה. דבר זה מוסבר על-ידי העובדה שכמעט כל מחוללי האותות מיקרוגל החדישים משתמשים בהכפלת תדר כדי ליצור את תחומי התדרים הגבוהים יותר, ורעש המופע עולה כמו 20 log N כאשר N הוא גורם ההכפלה. המשמעות היא שמחולל אותות המכפיל פחות מאחר כדי להגיע לתדר הסופי הזהה יציג קרוב לוודאי רעש מופע נמוך יותר בתדרים גבוהים יותר. חשוב לציין שבעוד 10 גיגה-הרץ (עם היסט של 10 קילו-הרץ) משמש לרוב להשוואה בין מחוללי אותות מיקרוגל, ביצועים טובים יותר ב-10 גיגה-הרץ לא מחייבים בהכרח ביצועים טובים יותר ב-40 או 50 גיגה-הרץ, בשל ההבדל האפשרי בין גורמי ההכפלה.
רוב מחוללי האותות מיקרוגל המשמשים ליישומי בדיקה ומדידה מתוכננים על-בסיס של מתנדי מיקרוגל מבוססי YIG, ולא מבוססי VCO. קיימות מספר סיבות לעובדה זו וביצועי רעש המופע הוא אחת מהסיבות העיקריות. ראשית, למתנדי YIG יש תחום כיוונון מאוד רחב. זה אומר שגורמי ההכפלה יכולים להיות נמוכים יותר, ולגרום לרעש מופע נמוך יותר בתדרים גבוהים יותר. שנית, רעש המופע של מתנדים מבוססי-YIG פוחתים מהר יותר באזורים מרוחקים מהנושא מאשר ב-VCOs, כך שרעש המופע האינטגרלי הכולל במתנדים מבוססי-YIG נוטה להיות נמוך יותר.
רעש מופע הוא פונקציה של המתנד הפנימי ושל כל ייחוס לתדר חיצוני המשמש לכך. מחוללי אותות מיקרוגל שונים משתמשים ברוחבי-פס לולאה בשעה שהם נעולים לייחוס בתדר חיצוני. רוחב-פס צר במבוא ייחוס התדר החיצוני עשוי לסייע למזער את השפעות רעש המופע הנגרם מאות ייחוס בעל תדר חיצוני רועש. חברות אחדות משתמשות ברוחב-פס גדול יותר כדי לאפשר עקיבה יציבה יותר של מחוללי אותות מרובים, אולם בכך הם רגישים יותר לרעש מופע מהייחוס בתדר חיצוני. חברות אחרות מתגברות על מגבלה זו על-ידי יצירת יכולת לעיקוב מופע תוך שימוש במתנד פנימי של 100 מגה-הרץ בעל רוחב-פס לולאה רחב תוך שמירה על רוחב-פס צר במבוא הייחוס לתדר חיצוני של 10 מגה-הרץ.
לעתים, בדף הנתונים של מחולל אותות מיקרוגל, תמצא שעקומות רעש המופע מסופקות עבור רעש המופע המוחלט (ביצועי רעש המופע של מחולל האותות) ורעש מופע שיורי (ביצועי רעש המופע כאשר תרומת ייחוס התדר הפנימי מבוטלת). מידע על רעש המופע השיורי שימושי רק כאשר משתמשים בתדר חיצוני לייחוס, והוא מתווסף על רעש המופע של ייחוס התדר החיצוני. מידע על רעש המופע השיורי דרוש בשל רגישות המסנתז הספציפית לרעש המופע של ייחוס התדר החיצוני, והעובדה שביצועי רעש המופע שלו עשויים להיות מופחתים על-ידי שימוש באות ייחוס של תדר חיצוני רועש. בד”כ ההבדלים בין המוחלט והשיורי מתבטאים רק באזור רעש המופע הקרוב.

איור 1

איור 2

הרמוניות ותדרים כוזבים
כאשר משווים ביצועי הרמוניות ותדרים כוזבים יש לזכור שכל מסנתזי התדר יוצרים הרמוניות ואותות  כוזבים (spurious). בהתאם ליישום שלך, ההרמוניות והתדרים הכוזבים הללו עשויים להוות בעיה או לאו. חשוב לציין שיישומים שונים עשויים להיות רגישים לתדרים כוזבים באמפליטודות ותדרים שונים, ובשעה שמסנתז אחד עשוי להכיל תדר כוזב אחד ביישום ספציפי אחד בעוד מסנתז אחר איננו מכיל זאת, ההיפך עשוי להיות נכון ביישום שונה או אף באותו היישום בתדרים שונים. לא יהיה נכון להכליל שכל אחד ממחוללי אותות המיקרוגל הם בקביעות טובים יותר או פחות, כאשר מדובר בביצועי הרמוניים ותדרים כוזבים.
מחולל-אותות מיקרוגל עשוי לענות או לעלות על מפרטי האותות הכוזבים שלו ועדיין להציג אות כוזב בעייתי אם הוא במקרה נופל באזור רגיש ביישום ספציפי כלשהו. אך אם לזכור זאת, האמת היא ככל שמפרטי התדרים הכוזבים טובים יותר, פחות יהיה עליך להיתקל בסוגיה זו. מחוללי אותות מיקרוגל בעלי מפרטי תדרים כוזבים גרועים אינם ככל הנראה שימושיים עבור יישומים מסוימים, כגון בדיקת מקלטי מכ”ם ו-ECM ומערכות ל”א בהן רמה גבוהה של תדרים כוזבים יופיעו בתור אותות או איומים כוזבים. במערכות תקשורת אלחוטית, רמות גבוהות של תדרים כוזבים עלולות להוות בעיה כאשר אלה נופלים בתוך הערוץ.
לעתים קרובות קשה להבין ביצועי תדרים כוזבים, מאחר שתוכן התדרים הכוזבים מופחת בד”כ מהגרפים של רעש מופע המוצגים במרבית דפי הנתונים. דבר זה לא נעשה בזדון, אלא כדי להפריד ולהבחין בין התופעות השונות. איורים 1 ו-2 מראים רעש מופע עם הכוזבים מבוטלים, ולמטרות השוואה של רעש המופע הדבר שימושי.

איור 3

איור 4

אם מביטים על איור 3 כעל תצוגת נתח ספקטרום, אפשר לזהות את התדרים הכוזבים כפסי צד מסביב לנושא. באיור 3, רעש המופע מוצג בצבע כחול, בעוד האותות הכוזבים מוצגים בצבע אדום. אם מפרט ביצועי הכוזבים היה -50 dBc או יותר טוב, אזי המכשיר בתדר זה ימלא אחר המפרט שלו. התדר הכוזב הגבוה ביותר מופיע במרחק של כ-120 הרץ מהנושא, כנראה בתוצאה מספק הכוח. אולם התדר הכוזב הגדול ביותר הקרוב נראה כמופיע ב-200 הרץ מחוץ לנושא, ועלול להיות מאוד קשה או בלתי אפשרי לקבוע מה מקורו.
איור 4 מראה סט של מדידות רעש מופע ב- 40 גיגה-הרץ. רעש המופע הוא די קבוע, אולם האותות הכוזבים משתנים. איור 4 מציג אחת התכונות המרגיזות ביותר של אותות כוזבים, כלומר את העובדה שאותות כוזבים משתנים כפונקציה של שינויים בייצור ושל הסביבה החיצונית, והם יכולים להשתנות גם לפי רמת הספק המוצא וקבועים אחרים. שינויים קלים באיטום האטם או בפרמטרי ההתקן ישפיעו על רמת האותות הכוזבים, ואותות כוזבים רבים הם תוצאה של הפרעות אלקטרו-מגנטיות חיצוניות, הן בהולכה והן בקרינה. גורמים דוגמת פעילות אפיק O/I כבדה עשויים גם להשפיע, מאחר שהרעש עשוי לחדור מאפיק ה-O/I לתוך החומרה האנלוגית והמיקרוגל, כך שמזעור תקשורת הבקרה מרחוק במהלך בדיקות רגישות הוא הפיתרון הטוב ביותר.
על אף שאותות כוזבים במחוללי אותות מיקרוגל אינם תמיד תלויים ברמת הספק המוצא, ההרמוניות כן תלויות בכך. כאשר משווים מפרטי הרמוניות, דאג לבדוק איזו רמה של הספק מוצא מתאימה למפרט. שים לב שעבור רוב מחוללי האותות מיקרוגל בעלי אופציה של הספק גבוה, רמות ההרמוניות עולות, לעתים משמעותית, עם הוספת אופציה. קיים נימוק חזק לשימוש במגברי הספק מיקרוגל חיצוניים לעומת אופציות בעלות הספק גבוה מאחר שהרמוניות מוגברות הן רק חיסרון אחד של האופציה של הספק גבוה במחולל האותות המיקרוגל. עיין בדך היישום AN-GT111A “Boosting RF Output Power -Signal Generator High Power Options versus External Power Amplifiers” לשם דיון מעמיק יותר על היתרונות של השימוש במגברי הספק מיקרוגל חיצוניים.

סיכום
טוהר ספקטראלי הוא אחד המפרטים החשובים ביותר שיש לבחון כאשר בוחרים מחולל אותות מיקרוגל ואחד ממערכי המפרטים הקשים ביותר להבנה מלאה. כאשר משווים ביצועי רעש מופע, חשוב לזכור שמפרטי דף הנתונים עשויים להטעות כאשר אתה משווה רק את הערכים המספריים, ועליך גם לעיין בעקומות רעש המופע ולשקול כיצד הם ינהגו ביישום הספציפי שלך. בנוסף, הרמוניות ואותות כוזבים הם בעייתיים, ובשעה שמחולל אותות מיקרוגל מסוים עשוי להציג אות כוזב בתרחיש מדידה מסוים בעוד מחולל אותות אחר איננו מציג זאת, ההיפך עשוי להיות נכון ביישום שונה או אף באותו יישום בקביעת פרמטרים אחרים. לבסוף, עליך להיות ער לכך שמפרטי ההרמוניות עשויים לפחות משמעותית עם הוספת אופציה של הספק מוצא גבוה, והשימוש במגברי הספק חיצוניים הוא לעתים קרובות פיתרון עדיף כאשר דרושות רמות הספק מוצא גבוהות.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת להט.