相位噪聲曲線有助于系統(tǒng)測試

每個系統(tǒng)中都存在噪聲。相位噪聲尤其常見于振蕩器中，鎖相環(huán)會降低系統(tǒng)性能。無線通信系統(tǒng)振蕩器中的相位噪聲會降低接收器在倒易混頻條件下的靈敏度。電信系統(tǒng)中的相位噪聲會導(dǎo)致信號鏈中的時間抖動。雖然工程師通常會盡量降低相位噪聲，但有時出于測試目的，他們會故意降低相位噪聲。有意引入相位噪聲有助于測試系統(tǒng)對相位噪聲或抖動的容限。因此，具有可調(diào)相位噪聲水平的信號可用于測試目的。

介紹

所有電子元件都會產(chǎn)生相位噪聲，但振蕩器通常是主要來源。壓控振蕩器（VCO），無論是自由運行的還是鎖相的，都會因噪聲調(diào)制而產(chǎn)生相位噪聲。因此，從邏輯上講，相位噪聲規(guī)格表征光譜純度。例如，理想振蕩器的輸出將是純正弦波，在頻域中表示為單頻垂直線。然而，事實上，振蕩器包括噪聲源，導(dǎo)致輸出頻率偏離其理想位置，在載波附近產(chǎn)生不需要的頻率的“裙邊”。

產(chǎn)生相位噪聲的方法

您可以通過兩種方式有意產(chǎn)生或加劇相位噪聲。一種方法是使用噪聲源直接調(diào)制振蕩器或VCO。VCO（圖1a）通過鎖相環(huán)（PLL）鎖相，環(huán)路濾波器的帶寬設(shè)置為低于最小調(diào)制頻率。例如，如果目標的最小相位噪聲偏移頻率為10Hz（來自載波），則將PLL環(huán)路帶寬設(shè)置為1Hz。您將噪聲直接注入VCO的頻率調(diào)諧輸入，在那里調(diào)制VCO以在輸出端產(chǎn)生相位噪聲。然后，您可以通過增加輸入噪聲密度水平來提高相位噪聲電平。

圖1.相位噪聲是通過將電壓噪聲直接注入VCO的調(diào)諧輸入（a）或相位調(diào)制器的變?nèi)?a target="_blank">二極管（b）產(chǎn)生的。

輸出相位噪聲由VCO增益（KVCO).假設(shè)VCO頻率為：?o，并由噪聲源Vn(?n)頻率為 1Hz 的帶寬?n.使用窄帶近似進行頻率調(diào)制1，VCO 輸出為：

第一項表示載波信號;第二項表示與載波偏移時的噪聲功率。相位噪聲定義為失調(diào)處的噪聲功率與載波功率的比值?o:

記住Vn(?n)是 1Hz 帶寬內(nèi)的 RMS 噪聲電壓?n.相位噪聲曲線是噪聲源曲線除以?n.因此，對于具有調(diào)制VCO的平坦噪聲密度曲線的白噪聲輸入源（Vn(?n)=恒定），輸出相位噪聲曲線降低20dB/十倍頻程，如圖2所示。（這假設(shè)感應(yīng)相位噪聲遠大于VCO的固有相位噪聲。

圖2.當VCO直接在其調(diào)諧輸入端進行噪聲調(diào)制時，它會產(chǎn)生每十倍頻程斜率為20dB的相位噪聲曲線。

產(chǎn)生相位噪聲的第二種方法是使用相位調(diào)制器調(diào)制鎖相VCO輸出端的載波信號（圖1b）。這種方法將噪聲注入相位調(diào)制器，相位調(diào)制器是LCL配置2中的低通濾波器。兩個電感是固定的，電容使用變?nèi)荻O管可變，通過施加反向偏置設(shè)置為標稱電容水平。變?nèi)荻O管兩端的噪聲電壓會改變電容，進而改變相位。因此，噪聲電壓被轉(zhuǎn)換為相位噪聲。增加噪聲電壓會增加相位噪聲水平。

相位調(diào)制器方法不會限制PLL環(huán)路帶寬，因此可以根據(jù)需要盡可能寬，以實現(xiàn)更快的鎖定時間。另一個優(yōu)點是，相位噪聲曲線不取決于VCO增益，而是取決于相位增益（K階段），以弧度/伏特為單位。此外，相位增益取決于LCL濾波器的相位響應(yīng)和變?nèi)荻O管電容特性。因此，相位調(diào)制器之后的VCO輸出為：

其中 Vn（t） 是時間時的噪聲電壓 t。相位噪聲項為K階段Vn（t） = Φ（t）.您可以通過將傅里葉變換應(yīng)用于 V 來計算相位噪聲外（t），但結(jié)果很難解析求解。作為近似值3，相位噪聲為：

哪里SΦ是 Φ（t） 的光譜密度，單位為 rad2/Hz，并且Sv(?n)是光譜密度Vn（t）以 V2/Hz 為單位。因此，相位噪聲曲線的形狀與調(diào)制噪聲密度曲線相同。對于白噪聲源后接100kHz低通濾波器，相位噪聲曲線與濾波器的頻率響應(yīng)相同。在這種情況下，相位噪聲電平在濾波器的截止頻率內(nèi)是恒定的，并在-3dB帶寬之外滾降（圖3）。這種相位調(diào)制器電路提供了一種產(chǎn)生可變相位噪聲信號的便捷方法，該信號模擬現(xiàn)實世界的噪聲信號源，如鎖相振蕩器。

圖3.該相位噪聲曲線由圖1b中的相位調(diào)制器產(chǎn)生。相位噪聲曲線的形狀與調(diào)制噪聲密度曲線相同，調(diào)制噪聲密度曲線是使用100kHz低通濾波器的白噪聲。

圖1b所示電路在5MHz至30MHz范圍內(nèi)工作良好，您可以輕松調(diào)整電感和電容值，以便在其他頻率下工作。實驗室實驗表明，該電路可以擴展到2GHz或3GHz。這些頻率需要大約1nH電感和1pF電容，因此該技術(shù)受到元件可用性和PCB寄生效應(yīng)的限制。

變?nèi)荻O管電容的變化會改變噪聲信號幅度和相位。然而，振幅變化遠小于相位變化。相位變化表示相位噪聲，幅度變化表示幅度噪聲（圖 4）。該調(diào)制器產(chǎn)生的相位調(diào)制比幅度調(diào)制高約30dB，從而確保相位噪聲占主導(dǎo)地位。

圖4.該圖顯示了圖10b電路在1MHz時的相位和幅度調(diào)制。相位調(diào)制比幅度調(diào)制大30dB。

產(chǎn)生噪聲電壓

為相位噪聲調(diào)制產(chǎn)生噪聲電壓的方法有很多。最簡單的方法是在齊納二極管的雪崩擊穿區(qū)域反向偏置（圖5a）。二極管的過量散粒噪聲由固定增益和可變增益放大器放大。這些級聯(lián)放大器的增益必須足夠高，以產(chǎn)生所需的噪聲電壓電平。噪聲輸出后跟一個濾波器，該濾波器根據(jù)圖1a或圖1b中要求的相位噪聲曲線對噪聲進行整形（圖1b所示電路的優(yōu)點是噪聲源曲線的形狀與輸出相位噪聲曲線相同。

圖5.齊納二極管在雪崩擊穿模式下反向偏置以產(chǎn)生白噪聲。然后對白噪聲進行放大和濾波，以產(chǎn)生用于相位噪聲調(diào)制的噪聲曲線（a）。先進的噪聲發(fā)生器使用微處理器生成多段噪聲曲線，該曲線模擬更真實的相位噪聲曲線（b）。

實際振蕩器的相位噪聲曲線可能很復(fù)雜。對于低失調(diào)頻率，它可以以 30dB/十倍頻程的速度滾降，在環(huán)路帶寬內(nèi)變得平坦，在環(huán)路帶寬外以 20dB/十倍頻程的速度滾降，最后，假設(shè)本底噪聲平坦（圖 6）。相位噪聲曲線也可以有幾組參考雜散。

圖6.在實際的鎖相振蕩器中，低偏移頻率下的相位噪聲迅速下降，斜率為30dB/十倍頻程。環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲是平坦的。在環(huán)路帶寬之外，相位噪聲以20dB/十倍頻程的速度滾降，直到達到本底噪聲。馬刺也可以出現(xiàn)。

這些相位噪聲曲線需要更復(fù)雜的噪聲產(chǎn)生電路，其設(shè)計如圖5b所示。它使用微處理器或數(shù)字信號處理器（DSP）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）產(chǎn)生復(fù)雜的多段噪聲曲線。對于圖1b的相位調(diào)制器，平坦的相位噪聲區(qū)域由白高斯噪聲電壓產(chǎn)生，后跟在目標偏移頻率內(nèi)具有平坦頻率響應(yīng)的數(shù)字濾波器（即帶通濾波器）。為了產(chǎn)生所需的滾降斜率，白高斯噪聲后跟FIR或IIR數(shù)字濾波器算法。對于雜散，可以在噪聲電壓中添加正弦波。然后，將所有這些噪聲段相加。仍然采用數(shù)字格式，噪聲電壓由DAC轉(zhuǎn)換為模擬電壓，然后由重建濾波器轉(zhuǎn)換。

總結(jié)

產(chǎn)生相位噪聲的技術(shù)如圖1所示，產(chǎn)生噪聲電壓的技術(shù)如圖5所示。圖1a電路通過直接調(diào)制VCO調(diào)諧輸入產(chǎn)生相位噪聲，圖1b電路通過外部相位調(diào)制器產(chǎn)生相位噪聲。每種技術(shù)都會產(chǎn)生不同的相位噪聲曲線。圖1a的直接調(diào)制技術(shù)適用于任何VCO頻率。對于圖1b的相位調(diào)制器技術(shù)，載波頻率受元件可用性和PCB寄生效應(yīng)限制在幾千兆赫茲。

審核編輯：郭婷