信號(hào)測(cè)試基礎(chǔ)：相位噪聲的含義和主要測(cè)量方法

2017-03-19  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

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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(cè)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(lái)解釋相位噪聲。如果沒(méi)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(cè)量方法:

1. 直接頻譜測(cè)量方法

這是最簡(jiǎn)單最經(jīng)典的相位測(cè)量技術(shù)。如圖2所示,將被測(cè)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(cè)件頻率,直接測(cè)量振蕩器的功率譜密度(f)。由于該方法對(duì)頻譜密度的測(cè)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(cè)量范圍有較大影響。

雖然不太適合測(cè)量非?？拷d波的相位噪聲,但該方法可以非常方便地快速測(cè)定具有相對(duì)高噪聲的信號(hào)源質(zhì)量。測(cè)量在滿(mǎn)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(cè)件噪聲。

• 由于頻譜儀/信號(hào)分析儀測(cè)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(cè)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(cè)量方法

2. 鑒相器測(cè)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(cè)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(kāi)發(fā)了多種測(cè)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(cè)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(lái)自被測(cè)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(cè)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(cè)量被測(cè)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。基帶信號(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(cè)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(cè)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(cè)量方法

鑒頻器方法是鑒相技術(shù)的一種,該方法無(wú)需使用參考信號(hào)源。鑒頻器方法降低了測(cè)量靈敏度(尤其在偏置頻率靠近載波時(shí)),但是當(dāng)被測(cè)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(cè)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(cè)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?；祛l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(cè)件的相位噪聲讀數(shù)。

圖5 鑒頻器方法-基礎(chǔ)方框圖

較長(zhǎng)的延遲線可提高靈敏度,但延遲線的插入損耗可能超過(guò)信號(hào)源功率,并且無(wú)法進(jìn)一步改進(jìn)。并且,較長(zhǎng)延遲線會(huì)限制可測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)互相關(guān)技術(shù)來(lái)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(cè)量,其設(shè)置和射頻端口連接與進(jìn)行相位噪聲測(cè)量時(shí)相同。

該方法僅適用于Agilent E5052B信號(hào)源分析儀。參見(jiàn)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(cè)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(guò)每個(gè)通道的被測(cè)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(guò)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

其中,Nmeas是顯示屏顯示的測(cè)得總噪聲,NDUT是被測(cè)件噪聲,N1和N2分別是通道1和通道2的內(nèi)部噪聲,M是互相關(guān)級(jí)數(shù)。

雙通道互相關(guān)技術(shù)無(wú)需非常好的硬件性能,便可實(shí)現(xiàn)出色的測(cè)量靈敏度。但是,互相關(guān)級(jí)數(shù)增加會(huì)影響到測(cè)量速度。

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