Se ha realizado un análisis del ruido de fase que puede esperarse a la salida de los PLOs. Los modelos utilizados se muestran en el anexo 2, donde se describe el análisis de ruido de fase. En primer lugar, hay que destacar que el ruido de fase de la referencia es distinto para el caso de los PLOs de banda S y banda L. En el primer caso, se tiene el ruido del oscilador de referencia del sistema directamente, ya que se utiliza una referencia de 120 MHz. En el segundo caso, la referencia es de 60 MHz y se obtiene mediante la división por dos de la señal de 120 MHz. Esto hace que el ruido de fase de la señal de 60 MHz este dominada por la contribución del ruido de divisor de frecuencia, en este caso el modelo MC12093 de Motorola.
En la figura 12, se muestra el ruido de fase de la señal para ambas señales de referencia. El correspondiente a la señal de 120 MHz se ha obtenido tal como se muestra en el apartado dedicado al oscilador de referencia, dentro de este mismo capítulo. Se ha supuesto un suelo de ruido de -165dBc/Hz, un factor de calidad de 30000 y una frecuencia flicker de 3.5 KHz. El ruido de fase de la referencia de los PLOs de banda L tiene un suelo de -140 dBc/Hz y una frecuencia flicker de 300 Hz. Sin embargo, y pese a la gran diferencia del nivel de ruido de ambas señales de referencia, no existirá tanta diferencia en el ruido de salida de ambos PLOs (banda S y L). La razón para ello, es que en ambos casos se impone el ruido procedente de los divisores de lazo, que es semejante para los dos (banda S y L).
Figura 12. La traza marcada con círculos se corresponde con el ruido de fase del oscilador de referencia utilizado en el PLO de banda S. El suelo de ruido es de aproximadamente -165 dBc/Hz. Se ha asumido un factor de calidad de 30000 y una frecuencia flicker de 3.5 KHz. La traza marcada con cuadrados es la correspondiente al ruido de fase de la referencia en los PLOs de banda L. En este caso se tiene un suelo de ruido de -140 dBc/Hz y una frecuencia flicker de 300 Hz.
En la figura 13, se muestra el resultado del cálculo del ruido de fase para la salida de ambos PLOs. Esta gráfica se ha obtenido a partir de las contribuciones del ruido de fase del detector, del divisor de lazo, del VCO, de la referencia y del filtro de lazo. Para el caso del PLO de banda S, se predice un nivel de ruido de aproximadamente -110.4 dBc/Hz a 10 KHz, de -114 dBc/Hz a 100 KHz, y de -133 dBc/Hz a 1 MHz. Para los PLOs de banda L, los resultados son de -105 dBc/Hz a 10 KHz, -111 dBc/Hz a 100 KHz y de -131 dBc/Hz a 1 MHz. En ambos casos, puede observarse la característica zona plana donde se impone el ruido procedente del divisor del lazo, para los PLOs de banda L, y del segundo divisor del lazo, para el PLO de banda S, y que acaba donde marca el ancho de banda del lazo. Después el ruido desciende con una pendiente inicial de 20 dB/decada, hasta encontrar el suelo de ruido del VCO. En frecuencias muy bajas se tiene el típico comportamiento de 1/f3 correspondiente al oscilador a
cristal, para el caso del PLO de banda S, y un comportamiento del tipo 1/f para los otros dos PLOs.
Figura 13. Ruido de Fase a la salida de los PLOs. Las trazas marcadas con círculos y cuadrados se corresponden con el PLO de banda S y los de banda L respectivamente. El ruido de fase a 10 KHz
Es muy instructivo ver las contribuciones de ruido de fase de los distintos elementos que componen los PLOs al ruido total de salida. Con ello podemos determinar los elementos más perjudiciales, y concentrar nuestros esfuerzos en ellos. En la figura 14, se tienen las contribuciones de ruido de los distintos elementos para el PLO de banda S, y en la figura 15 lo equivalente para los PLOs de banda L.
Para el primer caso, puede comprobarse como el dispositivo más ruidoso es el segundo divisor, el modelo MC12093 de Motorota, que impone su nivel de ruido de fase dentro del ancho de banda del lazo. Además, también se observa como en la zona plana el VCO contribuye con un ruido prácticamente también plano. Esto podría parecer contradictorio con la idea de que la función de transferencia de error tiene una pendiente de -40dB/década. Lo que sucede, es que esta pendiente se alcanza para frecuencias alejadas de la de corte, o ancho de banda del lazo. De esta manera, la caída de la función de transferencia de error entre 100 KHz y 10 KHz, es solo de unos 20 dB, mientras que entre 1KHz y 100 Hz, si se tiene ya la pendiente teórica. Al tener solo una pendiente de -20dB/década, dentro de la zona plana del ruido de fase del PLO, se compensa la pendiente de -20 dB/década con la misma con la que sube el ruido de fase del VCO en esta zona. Esta es la razón, por la que se observa un comportamiento prácticamente plano de la contribución del ruido del VCO en la región comprendida entre el ancho de banda del PLO y unos 10 KHz de separación de la portadora. No debe perderse de vista además que el ruido con el que contribuye el VCO en su zona plana es de un nivel cercano al del 2º divisor. El resto de las contribuciones son despreciables con excepción de referencia a partir de unos 300 Hz, donde impone su clásico comportamiento de 1/f3.
Figura 14. Contribuciones al ruido de fase total de salida de cada uno de los elementos principales que componen el PLO de banda S. La traza con círculos se corresponde con el ruido de fase total a la salida del PLO. La traza con cuadrados se corresponde con el ruido del procedente del VCO. La traza con triángulos invertidos hace referencia al ruido procedente del detector de fase. La traza con triángulos hace referencia al primer divisor del lazo (SP8910). La traza con rombos se corresponde con la contribución de ruido del segundo divisor (MC12093). Por último la traza con cruces es la debida al ruido procedente de la referencia.
Para el segundo caso, los elementos que más contribuyen, con un peso equivalente, son el divisor del lazo y la señal de referencia. Esto hecho, unido a que el módulo del divisor del lazo hace que la contribución de estos elementos 4.3 dB superior al caso anterior, provoca que el ruido calculado sea aproximadamente 5 dB más alto en la zona plana. Sin embargo en la zona de frecuencias altas, el comportamiento equivalente de ambos VCOs hace que se tenga un nivel de ruido semejante. Lo comentado, con respecto a la contribución del ruido del VCO dentro del ancho de banda del lazo, para el caso anterior es también aplicable aquí.
Figura 15. Contribuciones al ruido de fase total de salida de cada uno de los elementos principales que componen los PLOs de banda L. La traza con círculos se corresponde con el ruido de fase total a la salida del PLO. La traza con cuadrados se corresponde con el ruido del procedente del VCO. La traza con triángulos invertidos hace referencia al ruido procedente del detector de fase. La traza con triángulos hace referencia al divisor del lazo (MC12034). Por último la traza con rombos es la debida al ruido procedente de la referencia.
4.2.4.- ANÁLISIS DE LA RESPUESTA TRANSITORIA.
Se ha realizado un análisis de la respuesta transitoria y adquisición del enganche de los PLOs. A modo de ejemplo, se tiene en la figura 16, la tensión de salida del detector de fase para el PLO de banda S. Se observa perfectamente la nota de batido durante el periodo de tiempo en el cual el PLO se encuentra desenganchado. Esta nota de batido tiene un nivel de aproximadamente 360 mVpp, que se corresponde con una sensibilidad para el detector de fase de Kd = 0.18 V/rad. La frecuencia de la nota de batido (igual al error de frecuencia entre la
señal del VCO y la señal de referencia) va disminuyendo según nos acercamos al enganche, haciéndose cero cuando se alcanza el margen de lock-in. Finalmente, se tiende a un valor suficiente como para detener el generador de rampa en el sistema de ayuda al enganche. Esta tensión es de 90 mV, que se corresponde con un error permanente de fase de 45º. Este error de fase permanente no tiene ningún efecto sobre el sistema al tratarse de PLOs que generan una frecuencia fija.
Figura 16. Tensión a la salida del detector de fase del PLO de banda S.
En la figura 17, se muestra la evolución en el tiempo de la frecuencia de salida. Se aprecia perfectamente el proceso de pull-in que tiene lugar gracias a la rampa de ayuda al enganche y la captura final. Los resultados para los otros PLOs son básicamente equivalentes por lo que no se muestran.
Figura 17. Evolución en el tiempo de la frecuencia de salida del PLO de banda S hasta su enganche.