作者：David Brandon and John Cavey

殘余相位噪聲測量消除了外部噪聲源（如電源或輸入時(shí)鐘）的影響，而絕對(duì)相位噪聲測量則包括來自這些源的噪聲。殘余相位噪聲設(shè)置可隔離并測量器件的附加相位噪聲。利用這些信息，設(shè)計(jì)人員可以選擇信號(hào)鏈中的單個(gè)器件，以滿足整個(gè)系統(tǒng)的相位噪聲要求。本文包括時(shí)鐘器件的相位噪聲圖，以突出顯示殘余相位噪聲設(shè)置的屬性。它還演示了如何使用器件的附加相位噪聲來識(shí)別信號(hào)鏈中噪聲相關(guān)問題的來源。

圖1顯示了用于測量被測器件（DUT）的加性相位噪聲的設(shè)置。請(qǐng)注意，使用了兩個(gè) DUT;每個(gè)都連接到一個(gè)公共電源和輸入時(shí)鐘。這些常見噪聲源引起的相位噪聲在每個(gè)DUT輸出端都是相關(guān)的。輸出相位噪聲可以通過簡單地將鑒相器建模為增益為K的模擬乘法器來得出帕金森:

其中 E1 是放大的 DUT1 輸出信號(hào)，E2是放大和延遲的 DUT2 輸出信號(hào)，EC1和 EC2是信號(hào)功率，θM1和 θM2是相位噪聲的幅度，ΩC是載波頻率，ωM是失調(diào)頻率。疊加適用，因此在考慮來自外部源的相位噪聲時(shí)，可以忽略DUT固有的相位噪聲。如果 DUT1 和 DUT2 具有相同的過量相傳遞函數(shù)，則 θ 的部分M1由于時(shí)鐘源和電源等于θ的部分M2由于通用的時(shí)鐘源和電源。這種現(xiàn)象，即供應(yīng)推動(dòng)，簡單地描述為：

這樣，相位調(diào)制的幅度由電源上的電壓噪聲和KP（以弧度/V為單位的推力增益）的乘積給出。如果DUT1和DUT2具有等效的推力增益，理論上這些噪聲源在鑒相器的輸出端被消除，只留下兩個(gè)DUT的不相關(guān)噪聲用于測量。

固有的DUT噪聲可以通過一些額外的假設(shè)來確定。由于器件噪聲引起的均方根相位誤差通常非常小，因此我們可以使用小角度近似將輸出載波的表達(dá)式重寫為：

鑒相器的輸出已經(jīng)解調(diào)，因此可以稱為基帶信號(hào)。一旦確定了鑒相器增益和輸入信號(hào)功率，就可以計(jì)算出實(shí)際相位噪聲，假設(shè)放大器相位噪聲貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。每個(gè)DUT固有的噪聲是不相關(guān)的，因此它們的貢獻(xiàn)相等，均方根和是測量的輸出相位噪聲。因此，我們從頻譜分析儀測量的相位噪聲中減去3 dB（以dBc/Hz為單位），以確定每個(gè)DUT的貢獻(xiàn)。這表示相位噪聲功率相對(duì)于信號(hào)功率：

當(dāng)進(jìn)行非常敏感的相位噪聲測量時(shí)，放大器的噪聲貢獻(xiàn)可能很大。放大器的殘余相位噪聲是通過從電路中移除DUT1和DUT2并將功率分配器輸出直接施加到放大器來測量的。放大器輸入信號(hào)功率的幅度和壓擺率必須與實(shí)際的DUT輸出信號(hào)相似。使用上述程序，從測量的DUT相位噪聲中減去測量的放大器相位噪聲，以獲得精確的DUT相位噪聲。同樣，放大器的增益和噪聲系數(shù)必須盡可能相似。

請(qǐng)注意，需要時(shí)鐘的 DUT 將具有具有一定噪聲量的前端放大器。因此，由于放大器輸入端的閾值不確定性，具有低壓擺率的時(shí)鐘源可能會(huì)無意中增加DUT的相位噪聲貢獻(xiàn)。使用正弦時(shí)鐘源時(shí)，應(yīng)使用最大允許幅度來最大化壓擺率。

圖1.殘余相位噪聲測量設(shè)置。

測試設(shè)置的基本細(xì)節(jié)

使用圖 1 中的測試設(shè)置，兩個(gè)具有相同部件號(hào)的 DUT 由單個(gè) 1 GHz 源計(jì)時(shí)。這些器件設(shè)置為將時(shí)鐘頻率除以四分頻以產(chǎn)生 250MHz 輸出。此外，兩個(gè)輸出信號(hào)的相對(duì)相位偏移了90°（正交），以最小化直流時(shí)出現(xiàn)的下變頻信號(hào)電平。DUT信號(hào)由低噪聲放大器（LNA）放大，以增加測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍（放大器貢獻(xiàn)的相位噪聲足夠小，可以忽略不計(jì)）。放大器輸出被發(fā)送到平衡混頻器（鑒相器）。鑒相器混合兩個(gè)信號(hào)，在其輸出端產(chǎn)生和差積?？偤头e用低通濾波器濾除。剩余的差積構(gòu)成下變頻至直流（相位噪聲）的 250MHz 輸出信號(hào)。LNA提供了足夠的增益來克服頻譜分析儀的本底噪聲限制。

消除公共時(shí)鐘源相位噪聲

圖2顯示了兩個(gè)時(shí)鐘源的絕對(duì)相位噪聲測量結(jié)果，這兩個(gè)時(shí)鐘源的相位噪聲特性非常不同。理論上，兩個(gè)時(shí)鐘源都不應(yīng)影響使用殘余相位噪聲設(shè)置測量的DUT加性相位噪聲。圖3證實(shí)了這一理論。繪制了兩個(gè)獨(dú)立的殘余相位噪聲測量值，每個(gè)時(shí)鐘源一條跡線。兩條走線幾乎重疊，證明殘余相位噪聲設(shè)置消除了公共時(shí)鐘源噪聲。在絕對(duì)相位噪聲設(shè)置中，不會(huì)消除此噪聲。事實(shí)上，如果DUT是理想的（無附加相位噪聲），則其絕對(duì)相位噪聲曲線將與圖2中的曲線相匹配（但由于四倍頻率轉(zhuǎn)換，因此低12 dB）。歸一化為250 MHz載波時(shí)，時(shí)鐘源2在92 kHz偏移時(shí)表現(xiàn)出–1 dBc/Hz相位噪聲，而與時(shí)鐘源2相關(guān)的測得DUT相位噪聲在135 kHz時(shí)為–1 dBc/Hz。因此，殘余相位測量抑制了大約40 dB的輸入時(shí)鐘相位噪聲。

圖2.兩個(gè)不同時(shí)鐘源的絕對(duì)相位噪聲測量。

圖3.時(shí)鐘源對(duì)殘余相位噪聲測量幾乎沒有影響。

消除常見電源噪聲

圖 3 使用公共電源連接，如圖 1 所示。圖4顯示了為每個(gè)DUT使用單獨(dú)的噪聲電源的效果。不相關(guān)的電源噪聲會(huì)導(dǎo)致近端相位噪聲大幅增加。

圖4.殘余相位噪聲測量可顯示公共電源和獨(dú)立電源的影響。

圖5顯示了使用低噪聲電源的絕對(duì)相位噪聲測量結(jié)果。低噪聲電源的絕對(duì)相位噪聲和單獨(dú)的低噪聲電源的殘余相位噪聲表現(xiàn)出良好的一致性。電源相位噪聲在殘余相位噪聲測量中被消除，但在絕對(duì)相位噪聲測量中不會(huì)被消除。

圖5.通過低噪聲電源改善近載波相位噪聲

殘余相位噪聲測量是一種有價(jià)值的技術(shù)，用于識(shí)別作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)一部分的單個(gè)組件的相位噪聲貢獻(xiàn)。使用這種方法，外部噪聲源（如輸入時(shí)鐘和電源）在每個(gè)DUT輸出端相互關(guān)聯(lián)，因此可以有效地消除。此外，通過對(duì)這些元件執(zhí)行額外的殘余相位噪聲測量，可以考慮DUT殘余噪聲測量中使用的緩沖器或放大器的相位噪聲貢獻(xiàn)。結(jié)合殘余和絕對(duì)相位噪聲測量是識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要噪聲源的有效方法。所提供的測量數(shù)據(jù)在分頻器上獲取，展示了殘余相位噪聲測量的概念和實(shí)用性，并量化了噪聲輸入時(shí)鐘和電源的影響。通過此評(píng)估，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)得出輸入時(shí)鐘源和電源的規(guī)格。

審核編輯：郭婷