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相位噪聲的含義

相位噪聲是對信號時序變化的另一種測量方式，其結(jié)果在頻率域內(nèi)顯示。用一個振蕩器信號來解釋相位噪聲。如果沒有相位噪聲，那么振蕩器的整個功率都應(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)的信號功率與信號的總功率比值。

圖1  相位噪聲的含義

主要的相位噪聲測量方法

1.直接頻譜測量方法

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

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

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

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

2.鑒相器測量方法

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。鑒相器可將兩個輸入信號的相位差轉(zhuǎn)換為鑒相器輸出端的電壓。相位差設(shè)置為 90° (正交) 時，電壓輸出為 0 V。偏離正交的任何相位波動都將引發(fā)輸出端的電壓變化。

圖3  鑒相器工作原理

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

3. 參考信號源/PLL 測量方法

如圖 4 所示，該方法是將雙平衡混頻器用作鑒相器。兩個信號源，分別來自被測件和參考信號源，為混頻器提供輸入。調(diào)整參考信號源與被測件具有相同的載波頻率 (fc)，并設(shè)為額定相位正交 (異相 90°)。混頻器的相加頻率 (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。

該直流信號帶有交流電壓波動，該波動與兩個輸入信號的合成 (總 rms)噪聲成比例。為了精確測量被測件信號的相位噪聲，參考信號源的相位噪聲應(yīng)該低至可忽略水平，或者得到了很好的表征?；鶐盘柾ǔ诜糯?span>后輸入基帶頻譜分析儀。

參考信號源/PLL 方法提供最佳的總體靈敏度和最廣泛的測量范圍 (例如 0.01 Hz 至 100 MHz 的頻率偏置范圍)。另外，該方法對 AM 噪聲不敏感，并可以跟蹤漂移信號源。但是該方法需要一個干凈的可電子調(diào)諧參考信號源，而且在測量高漂移率信號源時需要參考信號源必須具有寬的調(diào)諧范圍。

圖4  參考信號源 /PLL 技術(shù) - 基礎(chǔ)方框圖

4. 鑒頻器測量方法

鑒頻器方法是鑒相技術(shù)的一種，該方法無需使用參考信號源。鑒頻器方法降低了測量靈敏度 (尤其在偏置頻率靠近載波時)，但是當(dāng)被測件是更大的噪聲源，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，會影響鑒相器 PLL 技術(shù)的測量，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。將被測件信號經(jīng)功分器分到兩路通道，一路信號相對于另一路信號產(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) 的兩個輸入相位正交。之后，鑒相器將相位波動轉(zhuǎn)換為電壓波動，電壓波動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)換為被測件的相位噪聲讀數(shù)。

圖5  鑒頻器方法 - 基礎(chǔ)方框圖

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

5. 外差 (數(shù)字) 鑒相器測量方法

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，可以測量相對較大相位噪聲的不穩(wěn)定信號源和振蕩器。相比 PLL 方法，該方法具有更寬的相位噪聲測量范圍，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，其相位噪聲測量的總體動態(tài)范圍會受到 LNA 和 ADC 的限制。后面會介紹如何通過互相關(guān)技術(shù)來改善這一限制。

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

該方法僅適用于 Agilent E5052B 信號源分析儀。參見圖 6 顯示的功能方框圖。

6. 雙通道互相關(guān)測量技術(shù)

該技術(shù)結(jié)合了兩個重復(fù)的單通道參考信號源 /PLL 系統(tǒng)，將各個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)合兩個鑒相器

    通過每個通道的被測件噪聲是相干的且不會受到互相關(guān)的影響; 但是每個通道的內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲不相干，并且通過互相關(guān)操作以 M? (M 是互相關(guān)級數(shù)) 速率的降低。這可以表示為:

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

其中，Nmeas 是顯示屏顯示的測得總噪聲，NDUT 是被測件噪聲，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)級數(shù)。

雙通道互相關(guān)技術(shù)無需非常好的硬件性能，便可實(shí)現(xiàn)出色的測量靈敏度。但是，互相關(guān)級數(shù)增加會影響到測量速度。