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，其結果在頻率域內顯示。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集中在頻率f=fo處。但相位噪聲的出現將振蕩器的一部分功率擴展到相鄰的頻率中去，產生了邊帶(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

這是最簡單最經典的相位測量技術。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行，因此頻譜儀/信號分析儀的動態范圍對測量范圍有較大影響。

雖然不太適合測量非常靠近載波的相位噪聲，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量。測量在滿足以下條件時有效: ● 頻譜儀/信號分析儀在相關偏置時的本身 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，不會區分調幅噪聲與相位噪聲，被測件的調幅噪聲必須遠低于相位噪聲 (通常 10 dB 即可)。

?圖2 直接頻譜測量方法

2.鑒相器測量方法

如果需要分離相位噪聲和調幅噪聲，則需使用鑒相器法進行相位噪聲的測量。圖 3 描述了鑒相器技術的基礎概念。鑒相器可將兩個輸入信號的相位差轉換為鑒相器輸出端的電壓。相位差設置為 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輸出端的電壓變化。

?圖3 鑒相器工作原理

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

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。調整參考信號源與被測件具有相同的載波頻率 (fc)，并設為額定相位正交 (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該低至可忽略水平，或者得到了很好的表征。基帶信號通常會在放大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諧范圍。

?圖4 參考信號源 /PLL 技術 - 基礎方框圖

4. 鑒頻器測量方法

鑒頻器方法是鑒相技術的一種，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。將被測件信號經功分器分到兩路通道，一路信號相對于另一路信號產生延遲。延遲線將頻率起伏轉換為相位起伏。調整延遲線或移相器從而確保混頻器 (鑒相器) 的兩個輸入相位正交。之后，鑒相器將相位波動轉換為電壓波動，電壓波動以頻率噪聲形式在基帶頻譜分析儀上顯示。隨后，頻率噪聲轉換為被測件的相位噪聲讀數。

?圖5 鑒頻器方法 - 基礎方框圖

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，并且無法進一步改進。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 (數字) 鑒相器測量方法

外差 (數字) 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范圍會受到 LNA 和 ADC 的限制。后面會介紹如何通過互相關技術來改善這一限制。

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

該方法僅適用于 E5052B 信號源分析儀。參見圖 6 顯示的功能方框圖。

?圖 6 外差 (數字) 鑒相器方法的方框圖

6. 雙通道互相關測量技術

該技術結合了兩個重復的單通道參考信號源 /PLL 系統，將各個通道的輸出端之間進行互相關操作 (如圖 7 所示)。

?圖7 雙通道互相關技術結合兩個鑒相器

通過每個通道的被測件噪聲是相干的且不會受到互相關的影響; 但是每個通道的內部產生的噪聲不相干，并且通過互相關操作以 M½ (M 是互相關級數) 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 的內部噪聲，M 是互相關級數。

雙通道互相關技術無需非常好的硬件性能，便可實現出色的測量靈敏度。但是，互相關級數增加會影響到測量速度。

作者：孫燈亮