相位噪声的意义和测量方法

相位噪声的意义

相位噪声是对信号时序改变的另一种丈量办法，其结果在频率域内显现。用一个振荡器信号来解说相位噪声。假如没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应会集在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，发生了边带(sideband)。从下图中能够看出，在离中心频率必定合理间隔的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率违背中心频率的差值。

相位噪声一般界说为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其间，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声界说为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。

图1相位噪声的意义

首要的相位噪声丈量办法

1.直接频谱丈量办法

这是最简略最经典的相位丈量技能。将被测件 (DUT) 的信号输入频谱仪/信号剖析仪，将信号剖析仪调谐到被测件频率，直接丈量振荡器的功率谱密度 (f)。因为该办法对频谱密度的丈量是在存在载波的情况下进行，因而频谱仪/信号剖析仪的动态规模对丈量规模有较大影响。

尽管不太合适丈量十分接近载波的相位噪声，但该办法能够十分方便地快速测定具有相对高噪声的信号源质量。丈量在满意以下条件时有用:
● 频谱仪/信号剖析仪在相关偏置时的自身 SSB 相位噪声有必要低于被测件噪声。
● 因为频谱仪/信号剖析仪丈量整体噪声功率，不会区别调幅噪声与相位噪声，被测件的调幅噪声有必要远低于相位噪声 (一般 10 dB 即可)。

2.鉴相器丈量办法

假如需求别离相位噪声和调幅噪声，则需运用鉴相器法进行相位噪声的丈量。鉴相器可将两个输入信号的相位差转换为鉴相器输出端的电压。相位差设置为 90° (正交) 时，电压输出为 0 V。违背正交的任何相位动摇都将引发输出端的电压改变。

现在已依据鉴相器原理开发了多种丈量办法。其间，参阅信号源/PLL (锁相环) 和鉴频器办法运用最广泛。

3. 参阅信号源/PLL 丈量办法

两个信号源，别离来自被测件和参阅信号源，为混频器供给输入。调整参阅信号源与被测件具有相同的载波频率 (fc)，并设为额外相位正交 (异相 90°)。混频器的相加频率 (2fc) 将由低通滤波器 (LPF) 滤出，混频器的相减差频为 0 Hz (dc)，均匀电压输出为 0 V。

该直流信号带有沟通电压动摇，该动摇与两个输入信号的组成 (总 rms)噪声成份额。为了准确丈量被测件信号的相位噪声，参阅信号源的相位噪声应该低至可疏忽水平，或许得到了很好的表征。基带信号一般会在扩大
后输入基带频谱剖析仪。

参阅信号源/PLL 办法供给最佳的整体灵敏度和最广泛的丈量规模 (例如 0.01 Hz 至 100 MHz 的频率偏置规模)。别的，该办法对 AM 噪声不灵敏，并能够盯梢漂移信号源。可是该办法需求一个洁净的可电子调谐参阅
信号源，而且在丈量高漂移率信号源时需求参阅信号源有必要具有宽的调谐规模。

4. 鉴频器丈量办法

鉴频器办法是鉴相技能的一种，该办法无需运用参阅信号源。鉴频器办法下降了丈量灵敏度 (尤其在偏置频率接近载波时)，可是当被测件是更大的噪声源，具有高电平、低速率的相位噪声或许附近载频的杂散边带较高时，会影响鉴相器 PLL 技能的丈量，鉴频器办规律十分适用。

将被测件信号经功分器分到两路通道，一路信号相对于另一路信号发生推迟。推迟线将频率崎岖转换为相位崎岖。调整推迟线或移相器然后保证混频器 (鉴相器) 的两个输入相位正交。之后，鉴相器将相位动摇转换为电压动摇，电压动摇以频率噪声方式在基带频谱剖析仪上显现。随后，频率噪声转换为被测件的相位噪声读数。

较长的推迟线可进步灵敏度，但推迟线的插入损耗或许超越信号源功率，而且无法进一步改进。而且，较长推迟线会约束可测得的最大偏置频率。因而该办法十分适用于自由振荡信号源，例如 LC 振荡器或晶体振荡器。

5. 外差 (数字) 鉴相器丈量办法

外差 (数字) 鉴相器办法是模仿推迟线鉴相器办法的修改版，能够丈量相对较大相位噪声的不稳定信号源和振荡器。比较 PLL 办法，该办法具有更宽的相位噪声丈量规模，在任何频率上都不需求从头衔接模仿推迟线。与上述鉴频器办法不同，其相位噪声丈量的整体动态规模会遭到 LNA 和 ADC 的约束。后面会介绍怎么经过互相关技能来改进这一约束。

将推迟时间设置为零时，外差 (数字) 鉴相器办法还能够供给方便且准确的 AM 噪声丈量，其设置和射频端口衔接与进行相位噪声丈量时相同。

该办法仅适用于 Agilent E5052B 信号源剖析仪。参见图2 显现的功用方框图。

图 2 外差 (数字) 鉴相器办法的方框图

6. 双通道互相关丈量技能

该技能结合了两个重复的单通道参阅信号源 /PLL 体系，将各个通道的输出端之间进行互相关操作 (如图3 所示)。

图3双通道互相关技能结合两个鉴相器

经过每个通道的被测件噪声是相干的且不会遭到互相关的影响; 可是每个通道的内部发生的噪声不相干，而且经过互相关操作以 M½ (M 是互相关级数) 速率的下降。这能够表明为:

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

其间，Nmeas 是显现屏显现的测得总噪声，NDUT 是被测件噪声，N1 和 N2 别离是通道 1 和通道 2 的内部噪声，M 是互相关级数。

双通道互相关技能无需十分好的硬件功能，便可完成超卓的丈量灵敏度。可是，互相关级数添加会影响到丈量速度。