相位噪聲的含義

相位噪聲是對(duì)信號(hào)時(shí)序變化的另一種測(cè)量方式，其結(jié)果在頻率域內(nèi)顯示。用一個(gè)振蕩器信號(hào)來(lái)解釋相位噪聲。如果沒(méi)有相位噪聲，那么振蕩器的整個(gè)功率都應(yīng)集中在頻率f=fo處。但相位噪聲的出現(xiàn)將振蕩器的一部分功率擴(kuò)展到相鄰的頻率中去，產(chǎn)生了邊帶(sideband)。從下圖中可以看出，在離中心頻率一定合理距離的偏移頻率處，邊帶功率滾降到1/fm，fm是該頻率偏離中心頻率的差值。

相位噪聲通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。一個(gè)振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號(hào)功率與信號(hào)的總功率比值。

圖1 相位噪聲的含義

主要的相位噪聲測(cè)量方法

1.直接頻譜測(cè)量方法

這是最簡(jiǎn)單最經(jīng)典的相位測(cè)量技術(shù)。如圖 2 所示，將被測(cè)件 (DUT) 的信號(hào)輸入頻譜儀/信號(hào)分析儀，將信號(hào)分析儀調(diào)諧到被測(cè)件頻率，直接測(cè)量振蕩器的功率譜密度 (f)。由于該方法對(duì)頻譜密度的測(cè)量是在存在載波的情況下進(jìn)行，因此頻譜儀/信號(hào)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)測(cè)量范圍有較大影響。

雖然不太適合測(cè)量非?？拷d波的相位噪聲，但該方法可以非常方便地快速測(cè)定具有相對(duì)高噪聲的信號(hào)源質(zhì)量。測(cè)量在滿足以下條件時(shí)有效:

● 頻譜儀/信號(hào)分析儀在相關(guān)偏置時(shí)的本身 SSB 相位噪聲必須低于被測(cè)件噪聲。

● 由于頻譜儀/信號(hào)分析儀測(cè)量總體噪聲功率，不會(huì)區(qū)分調(diào)幅噪聲與相位噪聲，被測(cè)件的調(diào)幅噪聲必須遠(yuǎn)低于相位噪聲 (通常 10 dB 即可)。

圖2 直接頻譜測(cè)量方法

2.鑒相器測(cè)量方法

如果需要分離相位噪聲和調(diào)幅噪聲，則需使用鑒相器法進(jìn)行相位噪聲的測(cè)量。圖 3 描述了鑒相器技術(shù)的基礎(chǔ)概念。鑒相器可將兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換為鑒相器輸出端的電壓。相位差設(shè)置為 90° (正交) 時(shí)，電壓輸出為 0 V。偏離正交的任何相位波動(dòng)都將引發(fā)輸出端的電壓變化。

圖3 鑒相器工作原理

目前已根據(jù)鑒相器原理開(kāi)發(fā)了多種測(cè)量方法。其中，參考信號(hào)源/PLL (鎖相環(huán)) 和鑒頻器方法應(yīng)用最廣泛。

3. 參考信號(hào)源/PLL 測(cè)量方法

如圖 4 所示，該方法是將雙平衡混頻器用作鑒相器。兩個(gè)信號(hào)源，分別來(lái)自被測(cè)件和參考信號(hào)源，為混頻器提供輸入。調(diào)整參考信號(hào)源與被測(cè)件具有相同的載波頻率 (fc)，并設(shè)為額定相位正交 (異相 90°)?；祛l器的相加頻率 (2fc) 將由低通濾波器 (LPF) 濾出，混頻器的相減差頻為 0 Hz (dc)，平均電壓輸出為 0 V。

該直流信號(hào)帶有交流電壓波動(dòng)，該波動(dòng)與兩個(gè)輸入信號(hào)的合成 (總 rms)噪聲成比例。為了精確測(cè)量被測(cè)件信號(hào)的相位噪聲，參考信號(hào)源的相位噪聲應(yīng)該低至可忽略水平，或者得到了很好的表征?；鶐盘?hào)通常會(huì)在放大

后輸入基帶頻譜分析儀。

參考信號(hào)源/PLL 方法提供最佳的總體靈敏度和最廣泛的測(cè)量范圍 (例如 0.01 Hz 至 100 MHz 的頻率偏置范圍)。另外，該方法對(duì) AM 噪聲不敏感，并可以跟蹤漂移信號(hào)源。但是該方法需要一個(gè)干凈的可電子調(diào)諧參考

信號(hào)源，而且在測(cè)量高漂移率信號(hào)源時(shí)需要參考信號(hào)源必須具有寬的調(diào)諧范圍。

圖4 參考信號(hào)源 /PLL 技術(shù) - 基礎(chǔ)方框圖

4. 鑒頻器測(cè)量方法

鑒頻器方法是鑒相技術(shù)的一種，該方法無(wú)需使用參考信號(hào)源。鑒頻器方法降低了測(cè)量靈敏度 (尤其在偏置頻率靠近載波時(shí))，但是當(dāng)被測(cè)件是更大的噪聲源，具有高電平、低速率的相位噪聲或者鄰近載頻的雜散邊帶較高時(shí)，會(huì)影響鑒相器 PLL 技術(shù)的測(cè)量，鑒頻器方法則非常適用。

圖 5 顯示的是使用延遲線的鑒頻器方法。將被測(cè)件信號(hào)經(jīng)功分器分到兩路通道，一路信號(hào)相對(duì)于另一路信號(hào)產(chǎn)生延遲。延遲線將頻率起伏轉(zhuǎn)換為相位起伏。調(diào)整延遲線或移相器從而確?；祛l器 (鑒相器) 的兩個(gè)輸入相位正交。之后，鑒相器將相位波動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓波動(dòng)，電壓波動(dòng)以頻率噪聲形式在基帶頻譜分析儀上顯示。隨后，頻率噪聲轉(zhuǎn)換為被測(cè)件的相位噪聲讀數(shù)。

圖5 鑒頻器方法 - 基礎(chǔ)方框圖

較長(zhǎng)的延遲線可提高靈敏度，但延遲線的插入損耗可能超過(guò)信號(hào)源功率，并且無(wú)法進(jìn)一步改進(jìn)。并且，較長(zhǎng)延遲線會(huì)限制可測(cè)得的最大偏置頻率。因此該方法非常適用于自由振蕩信號(hào)源，例如 LC 振蕩器或晶體振蕩器。

5. 外差 (數(shù)字) 鑒相器測(cè)量方法

外差 (數(shù)字) 鑒相器方法是模擬延遲線鑒相器方法的修改版，可以測(cè)量相對(duì)較大相位噪聲的不穩(wěn)定信號(hào)源和振蕩器。相比 PLL 方法，該方法具有更寬的相位噪聲測(cè)量范圍，在任何頻率上都不需要重新連接模擬延遲線。與上述鑒頻器方法不同，其相位噪聲測(cè)量的總體動(dòng)態(tài)范圍會(huì)受到 LNA 和 ADC 的限制。后面會(huì)介紹如何通過(guò)互相關(guān)技術(shù)來(lái)改善這一限制。

將延遲時(shí)間設(shè)置為零時(shí)，外差 (數(shù)字) 鑒相器方法還可以提供方便且精確的 AM 噪聲測(cè)量，其設(shè)置和射頻端口連接與進(jìn)行相位噪聲測(cè)量時(shí)相同。

該方法僅適用于 Agilent E5052B 信號(hào)源分析儀。參見(jiàn)圖 6 顯示的功能方框圖。

圖 6 外差 (數(shù)字) 鑒相器方法的方框圖

6. 雙通道互相關(guān)測(cè)量技術(shù)

該技術(shù)結(jié)合了兩個(gè)重復(fù)的單通道參考信號(hào)源 /PLL 系統(tǒng)，將各個(gè)通道的輸出端之間進(jìn)行互相關(guān)操作 (如圖 7 所示)。

圖7 雙通道互相關(guān)技術(shù)結(jié)合兩個(gè)鑒相器

通過(guò)每個(gè)通道的被測(cè)件噪聲是相干的且不會(huì)受到互相關(guān)的影響; 但是每個(gè)通道的內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲不相干，并且通過(guò)互相關(guān)操作以 M½ (M 是互相關(guān)級(jí)數(shù)) 速率的降低。這可以表示為:

Nmeas = NDUT + (N1 + N2)/M1/2

其中，Nmeas 是顯示屏顯示的測(cè)得總噪聲，NDUT 是被測(cè)件噪聲，N1 和 N2 分別是通道 1 和通道 2 的內(nèi)部噪聲，M 是互相關(guān)級(jí)數(shù)。

雙通道互相關(guān)技術(shù)無(wú)需非常好的硬件性能，便可實(shí)現(xiàn)出色的測(cè)量靈敏度。但是，互相關(guān)級(jí)數(shù)增加會(huì)影響到測(cè)量速度。