Analizadores de figura de ruido y ruido de fase Caracterización precisa de RF, desde la I+D hasta la fabricación

La figura de ruido (NF) cuantifica en qué medida un dispositivo o sistema degrada la relación señal-ruido (SNR). Se define como NF = (_SNRin) / (_SNRout) y suele expresarse en decibelios (dB).

Una figura de ruido de 0 dB representa un dispositivo ideal, libre de ruido. En la práctica, componentes como amplificadores, mezcladores y receptores introducen ruido térmico y electrónico adicional.

Por qué es importante la figura de ruido:

• Determina la sensibilidad del receptor
• Influye en la señal mínima detectable (MDS)
• Fundamental para los amplificadores de bajo ruido (LNA)
• Essential sistemas de radar, satélites, 5G y aeroespaciales

Cómo se mide la figura de ruido:

• Método del factor Y
• Método de la fuente de ruido caliente/fría
• Métodos de fuente fría (vectoriales)

Las soluciones modernas de Keysight automatizan la calibración, el control de las fuentes de ruido y la corrección de la incertidumbre para mejorar la precisión de las mediciones.

El ruido de fase describe la inestabilidad de frecuencia a corto plazo en una señal y es un parámetro clave para los osciladores y los sistemas de radiofrecuencia.

Según el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el ruido de fase en banda lateral única (SSB) se define como la relación entre la densidad de potencia del ruido en una frecuencia desplazada respecto a la portadora y la potencia de la portadora: L(f) = (_Pnoise(f)) /_Pcarrier

Normalmente se expresa en dBc/Hz a una frecuencia de desplazamiento determinada.

Por qué es importante el ruido de fase:

• Afecta a la pureza de la señal y a la integridad espectral
• Limita el rendimiento del sistema en las comunicaciones y el radar
• Influye en la precisión de la modulación y en la magnitud del vector de error (EVM)

Cómo se mide el ruido de fase:

El ruido de fase se mide utilizando analizadores de ruido de fase o analizadores de fuentes de señal que evalúan las desviaciones de frecuencia respecto a la portadora con gran sensibilidad.

La figura de ruido y el ruido de fase miden diferentes aspectos del rendimiento de RF:

Figura de ruido:
Mide la cantidad de ruido que un dispositivo añade a una señal (deterioro de la relación señal-ruido). Se utiliza en el diseño de receptores, amplificadores y circuitos de entrada de radiofrecuencia.

Ruido de fase:
Mide la estabilidad de frecuencia y la pureza espectral de una fuente de señal. Se utiliza en osciladores, sintetizadores y sistemas de transmisión.

Cuándo utilizar cada uno:

• Utiliza la figura de ruido a la hora de optimizar la sensibilidad y minimizar el ruido en las cadenas de señal
• Utiliza el ruido de fase a la hora de evaluar la estabilidad de frecuencia y la calidad de la modulación

Ambos son fundamentales en los sistemas de radiofrecuencia modernos, como el 5G, el sector aeroespacial y las comunicaciones por satélite.

A la hora de elegir un analizador, es importante evaluar varias especificaciones clave para asegurarse de que cumple con sus requisitos de medición.

Parámetros principales:

El rango de frecuencias del analizador, que abarca desde Hz hasta GHz, debe cubrir por completo el dispositivo que se va a someter a prueba. La sensibilidad, que suele expresarse en dBm, determina la capacidad del instrumento para detectar niveles de ruido muy bajos, mientras que el rango dinámico define la diferencia entre la señal más pequeña y la más grande que se pueden medir. La precisión y la incertidumbre de la medición también son fundamentales, ya que influyen directamente en la fiabilidad de los resultados.

Consideraciones específicas sobre la figura de ruido:

Para las mediciones de la figura de ruido, asegúrese de que el analizador admita el rango de medición requerido y sea compatible con las fuentes de ruido adecuadas. También debe admitir técnicas consolidadas, como el método del factor Y y los métodos de fuente fría (vectorial), para ofrecer flexibilidad y precisión en diferentes escenarios de prueba.

Consideraciones específicas sobre el ruido de fase:

Al evaluar el rendimiento en cuanto al ruido de fase, hay que tener en cuenta el umbral de ruido de fase del analizador, expresado en dBc/Hz, así como el rango de frecuencias de desplazamiento disponible. Los instrumentos con capacidad de correlación cruzada pueden mejorar significativamente la sensibilidad, lo que permite una caracterización más precisa de las señales con bajo ruido de fase.

Ecosistema de analizadores:

Las soluciones modernas de Keysight integran rutinas de calibración, automatización y software de análisis avanzado para mejorar la repetibilidad de las mediciones y el rendimiento.

Para obtener mediciones precisas no solo se necesita el equipo adecuado, sino también una configuración bien controlada que garantice resultados fiables.

Configuración para la medición de la figura de ruido:

Una configuración típica para la medición de la figura de ruido incluye un analizador de figura de ruido o un analizador de señales, junto con una fuente de ruido calibrada con una relación de ruido excedente (ENR) especificada. El dispositivo bajo prueba (DUT) se conecta mediante cables de RF de alta calidad con una adaptación de impedancia adecuada para minimizar los errores de medición.

Configuración para la medición del ruido de fase:

Para medir el ruido de fase, se utiliza un analizador de ruido de fase o un analizador de fuentes de señal junto con un oscilador de referencia estable. Es fundamental mantener un entorno con bajo nivel de ruido y un blindaje adecuado para evitar que las interferencias externas afecten a la medición.

Buenas prácticas:

Para obtener resultados precisos y reproducibles, realice una calibración completa del sistema antes de efectuar las mediciones. También es importante minimizar las pérdidas en los cables y los desajustes de impedancia, así como controlar la temperatura y las condiciones ambientales durante todo el proceso de ensayo.

Los errores de medición pueden afectar significativamente a los resultados si no se controlan adecuadamente, por lo que es fundamental comprender y mitigar las fuentes de imprecisión más comunes.

Fuentes habituales de error:

Los errores suelen deberse a desajustes entre los componentes, lo que puede provocar efectos relacionados con la relación de onda estacionaria de tensión (VSWR). Las imprecisiones en la calibración y la incertidumbre en la fuente de ruido, especialmente en lo que respecta a la relación de ruido excesivo (ENR), pueden reducir aún más la fiabilidad de la medición. Además, las limitaciones del umbral de ruido del instrumento pueden restringir la capacidad de medir señales de muy bajo nivel, mientras que factores ambientales como las variaciones de temperatura y las interferencias electromagnéticas (EMI) también pueden afectar a los resultados.

Cómo mejorar la precisión:

Para mejorar la precisión, lo primero es utilizar fuentes de ruido calibradas y de alta calidad, y aplicar técnicas de calibración adecuadas, como el método del factor Y o la corrección vectorial. En el caso de las mediciones de ruido de fase, técnicas como el promedio y la correlación cruzada pueden aumentar la sensibilidad. También es importante reducir al mínimo la longitud de los cables y las pérdidas asociadas, así como seguir las mejores prácticas establecidas que se ajusten a los estándares del sector, como las directrices del NIST.

Las mediciones de la figura de ruido y del ruido de fase desempeñan un papel fundamental en una amplia gama de sectores, ya que contribuyen al diseño, la validación y la optimización de los sistemas de radiofrecuencia modernos.

Principales aplicaciones:

Estas mediciones se utilizan ampliamente en el diseño de sistemas de radiofrecuencia y microondas, así como en sistemas de 5G y otros sistemas de comunicación inalámbrica en los que las exigencias de rendimiento son elevadas. También son esenciales en aplicaciones aeroespaciales y de defensa, incluidos los sistemas de satélites y radares, y se aplican habitualmente en la caracterización de dispositivos semiconductores para evaluar el rendimiento a nivel de componentes.

Por qué son importantes:

Al permitir una caracterización precisa del comportamiento del ruido y de la señal, estas mediciones contribuyen a garantizar la integridad de la señal y la fiabilidad general del sistema. Son fundamentales para optimizar la sensibilidad del receptor y el rendimiento del transmisor, así como para validar el cumplimiento de las normas industriales y reglamentarias.

Las plataformas Advanced de Keysightdan soporte aestas aplicaciones con una alta precisión y un alto grado de automatización.

El ruido de fase puede caracterizarse de diferentes maneras, dependiendo del dispositivo sometido a prueba y del objetivo específico de la medición.

Ruido de fase absoluto:

El ruido de fase absoluto mide el ruido de fase total de una fuente de señal y suele medirse mediante una medición de un solo puerto. Este método se utiliza para evaluar la pureza espectral general y la estabilidad de frecuencia de los osciladores y los generadores de señales.

Ruido de fase residual (aditivo):

El ruido de fase residual, o aditivo, mide el ruido introducido por un componente específico dentro de una cadena de señal. Se utiliza habitualmente para caracterizar dispositivos como amplificadores, mezcladores y convertidores de frecuencia, lo que ayuda a aislar sus contribuciones individuales al ruido global del sistema.

Ambos tipos de medición son fundamentales para aislar y optimizar el rendimiento en las cadenas de señal de RF.