Một bộ dao động có thể cho ra đúng tần số ghi trên nhãn mà vẫn làm hỏng cả hệ thống. Lý do nằm ở phần “rung” quanh sóng mang: pha của tín hiệu không đứng yên mà dao động ngẫu nhiên quanh giá trị lý tưởng. Đại lượng mô tả hiện tượng đó là nhiễu pha, và đo nhiễu pha chính là phép đo định lượng nó. Đây là thứ quyết định một máy thu 5G có tách được chòm sao 256-QAM hay không, một radar có nhìn thấy mục tiêu chậm nằm cạnh vật cố định hay không, một đường truyền quang có giữ được tỉ lệ lỗi bit hay không.
Bài viết này giải thích cách đo nhiễu pha đúng phương pháp và giới thiệu dòng máy phân tích nguồn tín hiệu Keysight SSA-X (E505xA) — công cụ chuyên dụng cho công việc này. Mọi con số trong bài đều lấy từ data sheet chính thức “E505xA SSA-X Signal Source Analyzer” của Keysight.
Nhiễu pha là gì và vì sao phải đo nhiễu pha?
Nhiễu pha là mật độ phổ công suất của thăng giáng pha, đọc theo đơn vị dBc/Hz tại một khoảng cách nhất định so với sóng mang — gọi là tần số offset. Một con số như “−170 dBc/Hz tại offset 1 MHz” nghĩa là: cách sóng mang 1 MHz, công suất nhiễu trong băng thông 1 Hz thấp hơn công suất sóng mang 170 dB.
Hình dạng của đường cong nhiễu pha nói lên bản chất của mạch. Vùng offset rất gần sóng mang (dưới 100 Hz) phản ánh độ ổn định dài hạn và hiện tượng trôi; vùng giữa (1 kHz đến 100 kHz) thường bị chi phối bởi băng thông vòng khóa pha; vùng xa (trên 1 MHz) tiến về nền nhiễu nhiệt của mạch khuếch đại. Vì vậy một phép đo nhiễu pha chỉ có giá trị khi trải đủ dải offset, chứ không phải đọc một điểm duy nhất.
Hệ quả thực tế rất cụ thể. Nhiễu pha của bộ dao động nội làm nhòe chòm sao điều chế và đặt trần cho EVM; nó tạo hiện tượng nghẹt tương hỗ khiến máy thu mất tín hiệu yếu khi có tín hiệu mạnh ở kênh lân cận; trong radar Doppler nó phủ lên tín hiệu phản xạ từ mục tiêu chuyển động chậm. Trên miền thời gian, cùng một hiện tượng xuất hiện dưới tên gọi jitter — đó là lý do các phòng thí nghiệm đo jitter đồng hồ và đo tỉ lệ lỗi bit đều quan tâm tới cùng một dữ liệu.
Đo nhiễu pha bằng máy phân tích phổ hay máy chuyên dụng?
Máy phân tích phổ đọc trực tiếp phổ quanh sóng mang, cách làm nhanh và tiện khi chỉ cần một phép kiểm tra sơ bộ. Nhưng phương pháp này có hai giới hạn khó vượt: nền nhiễu pha của chính bộ dao động nội trong máy phân tích sẽ che mất nhiễu của vật cần đo khi vật đó tốt hơn máy, và phổ đo được là tổng của nhiễu pha lẫn nhiễu biên độ, không tách rời được.
Máy phân tích nguồn tín hiệu giải quyết cả hai bằng kiến trúc khác: hai kênh thu độc lập cùng đo một tín hiệu, sau đó lấy tương quan chéo giữa hai kênh (trên SSA-X, số lần tương quan từ 2 trở lên cần license S96301xB — xem mục dưới). Nhiễu của bản thân hai kênh thu không tương quan với nhau nên bị triệt dần theo số lần lấy trung bình, trong khi nhiễu thật của vật cần đo thì tương quan hoàn toàn và được giữ lại. Máy cũng tách riêng nhiễu pha và nhiễu AM thành hai phép đo độc lập.
Máy phân tích nguồn tín hiệu Keysight SSA-X đo được tới đâu?
Dòng E505xA gồm bốn model khác nhau ở trần tần số sóng mang: E5055A tới 8 GHz, E5056A tới 26,5 GHz, E5057A tới 44 GHz và E5058A tới 54 GHz. Cả bốn đều bắt đầu từ sóng mang 1 MHz và đều đo được offset nhỏ tới 1 mHz — mức cần thiết khi khảo sát độ ổn định dài hạn của đồng hồ chuẩn.
Về độ nhạy, với sóng mang 1 GHz trên E5055A tùy chọn 2xx, chỉ tiêu đảm bảo là −150 dBc/Hz tại offset 1 kHz và −170 dBc/Hz tại offset 1 MHz, đo ở hệ số tương quan bằng 1, mức vào +10 dBm, Auto range ON và start offset 1 Hz; giá trị điển hình lần lượt là −156 và −177 dBc/Hz. Độ chính xác của phép đo nhiễu pha nhỏ hơn 1,5 dB ở offset tới 1 MHz, nhỏ hơn 2 dB trong khoảng 1–30 MHz và nhỏ hơn 3 dB trong khoảng 30–100 MHz với sóng mang từ 1 MHz đến 26,5 GHz.
Một chi tiết dễ bị hiểu nhầm: offset tối đa ở chế độ mặc định là 1 GHz với sóng mang trên 1,61 GHz — tới 7,19 GHz trên E5055A và tới 54 GHz trên E5056A/57A/58A; riêng trên E5055A, sóng mang trên 7,19 GHz chỉ còn 300 MHz rồi 100 MHz. Con số 8 GHz mà chế độ mở rộng đạt được chỉ áp dụng khi sóng mang nằm trong khoảng 51–150 MHz, từ 150 MHz trở lên chế độ mở rộng cho 3 GHz (tới 5,19 GHz trên E5055A, tới 54 GHz trên các model còn lại). Đây là kiểu thông số mà việc trích một dòng khỏi bảng sẽ dẫn tới cấu hình sai.
| Hạng mục | Giá trị |
|---|---|
| Dải tần sóng mang | 1 MHz – 8 GHz (E5055A) · 26,5 GHz (E5056A) · 44 GHz (E5057A) · 54 GHz (E5058A) |
| Dải tần offset | Từ 1 mHz; tới 1 GHz ở chế độ mặc định |
| Độ nhạy nhiễu pha SSB | −150 dBc/Hz tại offset 1 kHz · −170 dBc/Hz tại offset 1 MHz (sóng mang 1 GHz, E5055A Opt.2xx, hệ số tương quan = 1, +10 dBm, start offset 1 Hz) |
| Độ chính xác nhiễu pha | < 1,5 dB tới 1 MHz · < 2 dB ở 1–30 MHz · < 3 dB ở 30–100 MHz |
| Tương quan chéo | Cải thiện lý thuyết 5–25 dB (10 – 100.000 lần); cần license S96301xB |
| Chuẩn tần số nội bộ | OCXO 10 MHz, ±0,45 ppm; ổn định điển hình ±10 ppb (0–40 °C) |
Tương quan chéo cải thiện phép đo nhiễu pha như thế nào?
Tương quan chéo là kỹ thuật hạ nền nhiễu của chính máy đo xuống dưới nhiễu của vật cần đo. Theo data sheet, mức cải thiện lý thuyết là 5 dB với 10 lần tương quan, 10 dB với 100 lần, 15 dB với 1.000 lần, 20 dB với 10.000 lần và 25 dB với 100.000 lần.
Ba điều kiện đi kèm cần nêu rõ vì chúng thay đổi hoàn toàn cách lập cấu hình. Thứ nhất, số lần tương quan từ 2 đến 100.000 cần license S96301xB; cấu hình cơ bản chỉ chạy ở hệ số 1. Thứ hai, các con số trên là giá trị lý thuyết — mức cải thiện thực tế bị giới hạn bởi nhiễu chung nội bộ của máy và các yếu tố khác. Thứ ba, ở chế độ Fast XCORR hệ số cải thiện có thể giảm.
Cái giá phải trả là thời gian. Với RBW 10 % và đã chuẩn hóa về hệ số tương quan bằng 1, một lần quét từ offset 1 Hz đến 100 kHz mất khoảng 5,96 giây, còn quét từ 1 Hz đến 1 GHz mất 25,19 giây; nếu chỉ cần bắt đầu từ 1 kHz thì cùng phép quét tới 100 kHz rút xuống 0,05 giây (quét tới 1 GHz là 0,11 giây). Vì thời gian đo tỉ lệ với số lần tương quan, việc chọn hệ số tương quan luôn là một sự đánh đổi giữa độ nhạy và nhịp sản xuất.
Sáu phép đo mà máy phân tích nguồn tín hiệu đảm nhận
Ngoài đường cong nhiễu pha, dòng SSA-X còn gánh nhiều phần việc khác trong phòng thí nghiệm vô tuyến:
- Đo nhiễu pha của dao động chuẩn — dựng đường nhiễu pha SSB của OCXO, TCXO và bộ dao động thạch anh từ offset 1 mHz.
- Kiểm tra vòng khóa pha và bộ tổng hợp — nhìn thấy băng thông vòng lặp, độ vọt lố và nhiễu nền của PLL trên cùng một đồ thị.
- Đặc trưng hóa VCO theo điện áp điều khiển — quét VControl, VSupply1 và VSupply2 rồi đo tần số, độ nhạy tần số theo volt, công suất và dòng tiêu thụ. Cần license S96301xB.
- Phân tích jitter của tín hiệu clock — tách jitter ngẫu nhiên và jitter tuần hoàn, đọc RJ theo rms, PJ theo tần số và biên độ, TJ đỉnh–đỉnh kèm biểu đồ phân bố. Cần license S96302B.
- Đo nhiễu pha dư của tuyến khuếch đại — tách phần nhiễu do chính bộ khuếch đại, bộ chia hay bộ nhân tần thêm vào.
- Đo nhiễu pha trên tín hiệu xung radar — làm việc với chu kỳ lặp xung từ 50 ns đến 10 ms và hệ số lấp đầy điển hình 0,01–50 %, độ rộng xung trên 100 ns. Cần license S96325B.
Máy còn đo nhiễu AM với độ chính xác nhỏ hơn 2 dB ở offset tới 1 MHz, và đo nhiễu baseband trong dải 1 Hz–100 MHz qua ngõ BNC 50 Ω với nền nhiễu −159 dBm/Hz tại offset 1 kHz (đo ở gain 50 dB, ngõ vào kết cuối 0 Ω, hệ số tương quan bằng 1). Chuẩn tần số nội bộ là OCXO 10 MHz sai số ±0,45 ppm, ổn định điển hình ±10 ppb trên toàn dải 0–40 °C.
Chọn model nào cho phòng thí nghiệm và nhà máy tại Việt Nam?
Điểm xuất phát là trần tần số sóng mang thực sự cần dùng. Phần lớn công việc tại Việt Nam — dao động chuẩn cho trạm gốc, VCO và bộ tổng hợp cho thiết bị 5G băng FR1, đồng hồ cho thiết bị mạng và đo lường công nghiệp — nằm dưới 8 GHz, tức trong tầm của E5055A. Các dự án chạm tới băng FR2 hoặc radar vi sóng mới cần lên E5056A trở lên.
Yếu tố thứ hai, và thường bị bỏ sót khi so báo giá, là license phần mềm. Trần tần số quyết định máy nhìn được tới đâu, nhưng license mới quyết định máy làm được những gì: tương quan chéo, đặc trưng hóa VCO, đo quá độ và spectrum monitor đều thuộc S96301xB; phân tích jitter thuộc S96302B; đo xung thuộc S96325B. Hai báo giá cùng model có thể lệch nhau rất xa về năng lực thực tế.
Yếu tố thứ ba là cấu hình cổng: bản một cổng ứng với tùy chọn 100 và 200, bản hai cổng ứng với tùy chọn 15x/16x/25x/26x — và ngõ ra nguồn tích hợp chỉ có ở nhóm tùy chọn sau. Trên E5055A, cổng RF In là Type-N cái 50 Ω; các model tần số cao hơn dùng đầu 3,5 mm, 2,4 mm hoặc 1,85 mm.
Về vận hành, máy làm việc trong dải 0–40 °C, cấp bảo vệ IP 30, khối lượng 24,3 kg với bản E5055A một cổng, và chu kỳ hiệu chuẩn khuyến nghị là 1 năm. Cần lưu ý mọi chỉ tiêu đảm bảo chỉ áp dụng sau khi máy đã chạy 90 phút và còn trong chu kỳ hiệu chuẩn — một chi tiết đáng đưa vào quy trình đo nội bộ.
Trong hệ đo hoàn chỉnh, máy phân tích nguồn tín hiệu thường đứng cạnh máy phát tín hiệu RF làm nguồn tham chiếu, máy phân tích mạng vector để đo tham số S của cùng khối mạch, và máy đếm tần cho phép kiểm tra tần số nhanh.
Khi bài toán chuyển sang miền thời gian, dữ liệu jitter thường được đối chiếu với kết quả trên máy hiện sóng băng thông cao, còn phần nguồn cấp cho bộ dao động lại thuộc về phép đo tính toàn vẹn nguồn. Với thiết bị đầu cuối, phép đo cuối cùng thường diễn ra trên bộ mô phỏng mạng 5G.
Techmaster hiện có sẵn trang sản phẩm cho máy phân tích nguồn tín hiệu SSA Keysight E5052B — dòng tiền nhiệm của SSA-X. Keysight đã ngừng kinh doanh E5052B, nên nếu bạn đang lập dự toán mới, hãy liên hệ Techmaster để được tư vấn model hiện hành thuộc dòng E505xA cùng bộ license phù hợp. Danh mục thiết bị RF khác có tại nhóm máy phân tích tín hiệu, nhóm máy phân tích mạng và trang Keysight.
Câu hỏi thường gặp
Đo nhiễu pha khác gì so với đo phổ trên máy phân tích tín hiệu?
Máy phân tích phổ đọc trực tiếp phổ quanh sóng mang nên nhanh, nhưng kết quả bị giới hạn bởi nhiễu pha của bộ dao động nội trong chính máy đo và không tách được nhiễu pha khỏi nhiễu biên độ. Máy phân tích nguồn tín hiệu dùng hai kênh thu và kỹ thuật tương quan chéo để hạ nền nhiễu của máy xuống dưới nhiễu của vật cần đo, đồng thời tách nhiễu pha và nhiễu AM thành hai phép đo riêng.
Máy phân tích nguồn tín hiệu Keysight SSA-X đo được sóng mang tới bao nhiêu?
Dòng E505xA có bốn model: E5055A đo sóng mang 1 MHz đến 8 GHz, E5056A tới 26,5 GHz, E5057A tới 44 GHz và E5058A tới 54 GHz. Cả bốn model đều đo được tần số offset nhỏ tới 1 mHz, và ở chế độ mặc định offset lớn nhất đạt 1 GHz với sóng mang trên 1,61 GHz (tới 7,19 GHz trên E5055A, tới 54 GHz trên E5056A/57A/58A).
Tương quan chéo có sẵn trên cấu hình cơ bản không?
Không. Cấu hình cơ bản chỉ chạy ở hệ số tương quan bằng 1; muốn dùng từ 2 đến 100.000 lần tương quan phải có license S96301xB. Mức cải thiện ghi trong data sheet là 5 dB với 10 lần và 25 dB với 100.000 lần, nhưng đó là giá trị lý thuyết và mức cải thiện thực tế bị giới hạn bởi nhiễu chung nội bộ của máy.
Techmaster có hỗ trợ hiệu chuẩn máy đo nhiễu pha không?
Có. Keysight khuyến nghị chu kỳ hiệu chuẩn 1 năm cho dòng E505xA, và mọi chỉ tiêu đảm bảo chỉ có hiệu lực khi máy còn trong chu kỳ hiệu chuẩn. Techmaster là đơn vị phân phối ủy quyền của Keysight tại Việt Nam và cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho thiết bị đo lường điện tử.
Cần tư vấn cấu hình đo nhiễu pha?
Đội ngũ kỹ thuật của Techmaster hỗ trợ chọn model và bộ license theo đúng dải tần, độ nhạy và nhịp đo mà phòng thí nghiệm hoặc dây chuyền của bạn cần — kèm phương án hiệu chuẩn định kỳ. Liên hệ Techmaster để nhận tư vấn và báo giá.
Nguồn tham khảo: Keysight E5055A SSA-X Signal Source Analyzer · Keysight E5058A SSA-X, 1 MHz–54 GHz · Data sheet “E505xA SSA-X Signal Source Analyzer” (PDF)
Cùng nhóm phép đo tạp âm trong tuyến thu: xem thêm cách đo hệ số tạp âm và chọn nguồn tạp âm ENR 6 dB hay 15 dB.
