相位噪聲的含義和測量方法

(2009-09-2711:03:58)轉(zhuǎn)載▼標(biāo)簽：

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電子測量技術(shù)要點(diǎn)相位噪聲的含義和測量方法相位噪聲的含義

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)來解釋相位噪聲。如果沒有相位噪聲，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(hào)輸入頻譜儀/信號(hào)分析儀，將信號(hào)分析儀調(diào)諧到被測件頻率，直接測量振蕩器的功率譜密度(f)。由于該方法對(duì)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(hào)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)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(duì)高噪聲的信號(hào)源質(zhì)量。測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件噪聲。

●由于頻譜儀/信號(hào)分析儀測量總體噪聲功率，不會(huì)區(qū)分調(diào)幅噪聲與相位噪聲，被測件的調(diào)幅噪聲必須遠(yuǎn)低于相位噪聲(通常10dB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(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(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0V。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)鑒相器原理開發(fā)了多種測量方法。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，分別來自被測件和參考信號(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0Hz(dc)，平均電壓輸出為0V。

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。為了精確測量被測件信號(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量范圍(例如0.01Hz至100MHz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(hào)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(shí))，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(shí)，會(huì)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(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保混頻器(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(hào)源功率，并且無法進(jìn)一步改進(jìn)。并且，較長延遲線會(huì)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(hào)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(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(dòng)態(tài)范圍會(huì)受到LNA和ADC的限制。后面會(huì)介紹如何通過互相關(guān)技術(shù)來改善這一限制。

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噪聲測量，其設(shè)置和射頻端口連接與進(jìn)行相位噪聲測量時(shí)相同。

該方法僅適用于AgilentE5052B信號(hào)源分析儀。參見圖

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

通過每個(gè)通道的被測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，并且通過互相關(guān)操作以M?(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