概述
任何电子器件都会发生相位噪声，而振荡器是首要的噪声源。压控振荡器(VCO)在自激振荡或相位锁守时都会因为噪声调制发生相位噪声。这契合相位噪声目标标明频谱纯度的理论。例如一个抱负的振荡器，输出是朴实的正弦信号，在频域中是单一频点的笔直谱线。但实践上，振荡器所包括的噪声源会使输出频率违背它的抱负方位，在载波邻近发生一些不需求的频率。
发生相位噪声的办法
有两种办法发生或进步相位噪声。一种办法是直接用噪声源调制振荡器或VCO。压控振荡器(图1a)运用锁相环(PLL)确定相位，且环路滤波器的带宽比最小调制频率低。假定所考虑的最小相位噪声的频率误差是10Hz (间隔载波)，将锁相环的环路带宽设为1Hz。在压控振荡器的频率调谐输入端直接注入噪声，这样就会调制VCO在输出端发生相位噪声。此刻，能够经过进步输入噪声密度增大相位噪声。
图1. 直接在VCO的调谐输入端注入电压噪声发生相位噪声(a)，或将噪声注入到相位调制器的变容二极管(b)。
输出相位噪声由VCO增益(KVCO)整形。假定VCO的频率是ƒo，在频率ƒn的1Hz带宽内被噪声源Vn(ƒn)调制。运用频率调制的窄带近似值¹可求得VCO输出：
第一项代表载波信号；第二项代表违背载波处的噪声功率。相位噪声界说为频偏处的噪声功率与ƒo频点载波功率的比值。
Vn(ƒn)是在ƒn 1Hz带宽内的均方根噪声电压。相位噪声散布是噪声源散布除以ƒn。因而，用噪声密度散布平整的白噪声(Vn(ƒn) = 常数)输入源调制VCO时，输出相位噪声散布每10倍频程下降20dB，如图2所示(假定调制发生的相位噪声远远大于VCO固有的相位噪声)。
图2. 直接在VCO的调谐输入端进行噪声调制所发生的相位噪声散布斜率为20dB/10倍频程。
发生相位噪声的第二种办法是用相位调制器在相位确定的VCO输出端调制载波信号(图1b)。这种办法将噪声注入到相位调制器，也就是在LCL装备中的一个低通滤波器²。两个电感固定，电容经过变容二极管调理，可经过反向偏压将其设置为额定值。变容二极管的噪声电压会改动电容，然后改动相位。这样，噪声电压就会转化为相位噪声。添加噪声电压就会添加相位噪声。
这种相位调制办法对PLL环路带宽没有约束，所以为了取得更短的锁守时间，环路带宽能够尽或许宽。这种办法的别的一个长处是相位噪声散布与VCO增益无关，而由相位增益(KPHASE)决议，单位是弧度/伏。此外，相位增益由LCL滤波器的相位响应和变容二极管的电容特性决议。相位调制器的VCO输出是：
其间，Vn(t)是时间t的噪声电压。相位噪声是KPHASEVn(t) = Φ(t)。能够经过对VOUT(t)做傅立叶改换核算相位噪声，可是很难求解。相位噪声的近似值³是：
其间，SΦ是Φ(t)的谱密度，单位为rad²/Hz，Sv(ƒn)是Vn(t)的谱密度，单位是V²/Hz。因而，该相位噪声散布具有与调制噪声密度散布相同的波形。白噪声经过一个截止频率为100kHz的低通滤波器后，相位噪声散布同滤波器的频率响应相同。这种情况下，相位噪声在滤波器的截止频率内为常数，而在-3dB带宽外开端下降(图3)。运用相位调制电路能够很方便地发生可变相位噪声信号来模仿锁相振荡器等实在国际的噪声源。
图3. 图1b的相位调制器所发生的相位噪声散布，相位噪声散布的波形与调制噪声密度散布相同，白噪声经过100kHz的低通滤波器。
图1b的电路能够在5MHz到30MHz的范围内正常作业，能够很容易地调整电感和电容值使其作业于其它频率。试验标明，该电路经过调整能够作业在高达2GHz或3GHz的频率下。这些频率需求大约1nH的电感和1pF的电容，所以这种办法受限于是否能够得到恰当的元件以及PCB的寄生效应。
变容二极管%&&&&&%的改动会一起改动噪声信号的起伏和相位。可是，起伏的改变比相位的改变小得多。相位的改变表现为相位噪声，而起伏的改变表现为起伏噪声(图4)。该调制器发生的相位调制比起伏调制大30dB，然后确保相位噪声起主导作用。
图4. 该图标明图1b在10MHz处的相位和起伏调制，相位调制比起伏调制大30dB。
发生噪声电压
能够经过许多途径发生噪声电压，用于相位噪声调制。最简略的办法是在齐纳二极管的雪崩击穿区域加反向偏压(图5a)。该二极管的剩余散粒噪声经过固定增益扩大器和可变增益扩大器扩大。这些级联扩大器的增益有必要足够高以发生希望的噪声电平。噪声输出将经过一个滤波器，该滤波器依据图1a或1b所示的相位噪声散布对输出噪声整形(图1b电路的一个长处是噪声源散布的形状和输出的相位噪声散布的形状相同)。
图5. 在齐纳二极管的雪崩击穿区域加反向偏压来发生白噪声。这个白噪声再经过扩大、滤波发生用于相位噪声调制的散布噪声(a)。高档噪声发生器选用微处理器发生多段噪声散布，能够更实在地模仿相位噪声散布(b)。
实践振荡器的相位噪声散布或许很杂乱，或许在低偏移频率时以30dB/10倍频程的斜率下降，在环路带宽内比较平整，而在环路带宽外又以20dB/10倍频程的斜率下降，终究呈现为平整的噪声底(图6)。这个相位噪声散布或许还含有一些杂散频率。
图6. 实践锁相振荡器的相位噪声在低频偏时以30dB/10倍频程的斜率敏捷下降，在环路带宽内比较平整，而在环路带宽外又以20dB/10倍频程的斜率下降，直到到达噪声底。还或许呈现杂散频率。
这样的相位噪声散布需求更杂乱的噪声发生器，如图5b所示。它运用一个微处理器或数字信号处理器(DSP)与一个DAC发生杂乱的多段噪声散布。关于图1b所示的相位调制器，平整的相位噪声区域由高斯白噪声经过一个数字滤波器发生，该滤波器在所考虑的频偏处具有平整的频率响应(如带通滤波器)。为了发生所需的下降斜率，高斯白噪声需经过有限冲激响应(FIR)或无限冲激响应(IIR)数字滤波器进行滤波。寄生频率能够经过在噪声电压上加正弦波发生，然后把一切噪声段叠加起来。仍然是数字方式的噪声电压经过DAC转换成模仿电压，然后由一个重建滤波器输出。
定论
发生相位噪声的办法如图1所示，发生噪声电压的办法如图5所示。图1a中的电路经过直接调制VCO的调谐输入发生相位噪声，而图1b中的电路经过外部的相位调制器来发生相位噪声。每一种办法都可发生不同的相位噪声散布。图1a所示的直接调制法能够作业在恣意的VCO频率。而图1b的相位调制法受限于是否能够得到恰当的元件以及PCB的寄生效应，载波频率限定在几GHz。
参考文献
Behzad Razavi, RF Microelectronics. Upper Saddle River, NJ, 1998, pg 223.
Enrico Rubiola et. al., “The ±45° Correlation Interferometer as a Means to Measure Phase Noise of Parametric Origin,” IEEE Transactions On Instrumentation and Measurement, Vol. 52, No. 1, pp. 182-188.
A. L. Lance et. al., “Phase Noise Measurement Systems,” ISA Transactions, Vol. 21 No. 4, pp. 37-44.
