信號測試基礎(chǔ)：相位噪聲的含義和主要測量方法

2017-03-19 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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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。

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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10dB即可)。

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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0V。偏離正交的任何相位波動都將引發(fā)輸出端的電壓變化。

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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°)?；祛l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诜糯蠛筝斎牖鶐ьl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0.01Hz 至100MHz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。

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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)。

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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。

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