残余相位噪声测量从外部噪声源中提取DUT噪声

作者：David Brandon and John Cavey

残余相位噪声测量消除了外部噪声源（如电源或输入时钟）的影响，而绝对相位噪声测量则包括来自这些源的噪声。残余相位噪声设置可隔离并测量器件的附加相位噪声。利用这些信息，设计人员可以选择信号链中的单个器件，以满足整个系统的相位噪声要求。本文包括时钟器件的相位噪声图，以突出显示残余相位噪声设置的属性。它还演示了如何使用器件的附加相位噪声来识别信号链中噪声相关问题的来源。

图1显示了用于测量被测器件（DUT）的加性相位噪声的设置。请注意，使用了两个 DUT;每个都连接到一个公共电源和输入时钟。这些常见噪声源引起的相位噪声在每个DUT输出端都是相关的。输出相位噪声可以通过简单地将鉴相器建模为增益为K的模拟乘法器来得出帕金森:

其中 E1 是放大的 DUT1 输出信号，E2是放大和延迟的 DUT2 输出信号，EC1和 EC2是信号功率，θM1和 θM2是相位噪声的幅度，ΩC是载波频率，ωM是失调频率。叠加适用，因此在考虑来自外部源的相位噪声时，可以忽略DUT固有的相位噪声。如果 DUT1 和 DUT2 具有相同的过量相传递函数，则 θ 的部分M1由于时钟源和电源等于θ的部分M2由于通用的时钟源和电源。这种现象，即供应推动，简单地描述为：

这样，相位调制的幅度由电源上的电压噪声和KP（以弧度/V为单位的推力增益）的乘积给出。如果DUT1和DUT2具有等效的推力增益，理论上这些噪声源在鉴相器的输出端被消除，只留下两个DUT的不相关噪声用于测量。

固有的DUT噪声可以通过一些额外的假设来确定。由于器件噪声引起的均方根相位误差通常非常小，因此我们可以使用小角度近似将输出载波的表达式重写为：

鉴相器的输出已经解调，因此可以称为基带信号。一旦确定了鉴相器增益和输入信号功率，就可以计算出实际相位噪声，假设放大器相位噪声贡献可以忽略不计。每个DUT固有的噪声是不相关的，因此它们的贡献相等，均方根和是测量的输出相位噪声。因此，我们从频谱分析仪测量的相位噪声中减去3 dB（以dBc/Hz为单位），以确定每个DUT的贡献。这表示相位噪声功率相对于信号功率：

当进行非常敏感的相位噪声测量时，放大器的噪声贡献可能很大。放大器的残余相位噪声是通过从电路中移除DUT1和DUT2并将功率分配器输出直接施加到放大器来测量的。放大器输入信号功率的幅度和压摆率必须与实际的DUT输出信号相似。使用上述程序，从测量的DUT相位噪声中减去测量的放大器相位噪声，以获得精确的DUT相位噪声。同样，放大器的增益和噪声系数必须尽可能相似。

请注意，需要时钟的 DUT 将具有具有一定噪声量的前端放大器。因此，由于放大器输入端的阈值不确定性，具有低压摆率的时钟源可能会无意中增加DUT的相位噪声贡献。使用正弦时钟源时，应使用最大允许幅度来最大化压摆率。

图1.残余相位噪声测量设置。

测试设置的基本细节

使用图 1 中的测试设置，两个具有相同部件号的 DUT 由单个 1 GHz 源计时。这些器件设置为将时钟频率除以四分频以产生 250MHz 输出。此外，两个输出信号的相对相位偏移了90°（正交），以最小化直流时出现的下变频信号电平。DUT信号由低噪声放大器（LNA）放大，以增加测量系统的动态范围（放大器贡献的相位噪声足够小，可以忽略不计）。放大器输出被发送到平衡混频器（鉴相器）。鉴相器混合两个信号，在其输出端产生和差积。总和积用低通滤波器滤除。剩余的差积构成下变频至直流（相位噪声）的 250MHz 输出信号。LNA提供了足够的增益来克服频谱分析仪的本底噪声限制。

消除公共时钟源相位噪声

图2显示了两个时钟源的绝对相位噪声测量结果，这两个时钟源的相位噪声特性非常不同。理论上，两个时钟源都不应影响使用残余相位噪声设置测量的DUT加性相位噪声。图3证实了这一理论。绘制了两个独立的残余相位噪声测量值，每个时钟源一条迹线。两条走线几乎重叠，证明残余相位噪声设置消除了公共时钟源噪声。在绝对相位噪声设置中，不会消除此噪声。事实上，如果DUT是理想的（无附加相位噪声），则其绝对相位噪声曲线将与图2中的曲线相匹配（但由于四倍频率转换，因此低12 dB）。归一化为250 MHz载波时，时钟源2在92 kHz偏移时表现出–1 dBc/Hz相位噪声，而与时钟源2相关的测得DUT相位噪声在135 kHz时为–1 dBc/Hz。因此，残余相位测量抑制了大约40 dB的输入时钟相位噪声。

图2.两个不同时钟源的绝对相位噪声测量。

图3.时钟源对残余相位噪声测量几乎没有影响。

消除常见电源噪声

图 3 使用公共电源连接，如图 1 所示。图4显示了为每个DUT使用单独的噪声电源的效果。不相关的电源噪声会导致近端相位噪声大幅增加。

图4.残余相位噪声测量可显示公共电源和独立电源的影响。

图5显示了使用低噪声电源的绝对相位噪声测量结果。低噪声电源的绝对相位噪声和单独的低噪声电源的残余相位噪声表现出良好的一致性。电源相位噪声在残余相位噪声测量中被消除，但在绝对相位噪声测量中不会被消除。

图5.通过低噪声电源改善近载波相位噪声

残余相位噪声测量是一种有价值的技术，用于识别作为系统设计一部分的单个组件的相位噪声贡献。使用这种方法，外部噪声源（如输入时钟和电源）在每个DUT输出端相互关联，因此可以有效地消除。此外，通过对这些元件执行额外的残余相位噪声测量，可以考虑DUT残余噪声测量中使用的缓冲器或放大器的相位噪声贡献。结合残余和绝对相位噪声测量是识别系统设计中主要噪声源的有效方法。所提供的测量数据在分频器上获取，展示了残余相位噪声测量的概念和实用性，并量化了噪声输入时钟和电源的影响。通过此评估，系统设计人员可以根据实际测量数据得出输入时钟源和电源的规格。

审核编辑：郭婷