相位噪声曲线有助于系统测试

每个系统中都存在噪声。相位噪声尤其常见于振荡器中，锁相环会降低系统性能。无线通信系统振荡器中的相位噪声会降低接收器在倒易混频条件下的灵敏度。电信系统中的相位噪声会导致信号链中的时间抖动。虽然工程师通常会尽量降低相位噪声，但有时出于测试目的，他们会故意降低相位噪声。有意引入相位噪声有助于测试系统对相位噪声或抖动的容限。因此，具有可调相位噪声水平的信号可用于测试目的。

介绍

所有电子元件都会产生相位噪声，但振荡器通常是主要来源。压控振荡器（VCO），无论是自由运行的还是锁相的，都会因噪声调制而产生相位噪声。因此，从逻辑上讲，相位噪声规格表征光谱纯度。例如，理想振荡器的输出将是纯正弦波，在频域中表示为单频垂直线。然而，事实上，振荡器包括噪声源，导致输出频率偏离其理想位置，在载波附近产生不需要的频率的“裙边”。

产生相位噪声的方法

您可以通过两种方式有意产生或加剧相位噪声。一种方法是使用噪声源直接调制振荡器或VCO。VCO（图1a）通过锁相环（PLL）锁相，环路滤波器的带宽设置为低于最小调制频率。例如，如果目标的最小相位噪声偏移频率为10Hz（来自载波），则将PLL环路带宽设置为1Hz。您将噪声直接注入VCO的频率调谐输入，在那里调制VCO以在输出端产生相位噪声。然后，您可以通过增加输入噪声密度水平来提高相位噪声电平。

图1.相位噪声是通过将电压噪声直接注入VCO的调谐输入（a）或相位调制器的变容二极管（b）产生的。

输出相位噪声由VCO增益（KVCO).假设VCO频率为：ƒo，并由噪声源Vn(ƒn)频率为 1Hz 的带宽ƒn.使用窄带近似进行频率调制¹，VCO 输出为：

第一项表示载波信号;第二项表示与载波偏移时的噪声功率。相位噪声定义为失调处的噪声功率与载波功率的比值ƒo:

记住Vn(ƒn)是 1Hz 带宽内的 RMS 噪声电压ƒn.相位噪声曲线是噪声源曲线除以ƒn.因此，对于具有调制VCO的平坦噪声密度曲线的白噪声输入源（Vn(ƒn)=恒定），输出相位噪声曲线降低20dB/十倍频程，如图2所示。（这假设感应相位噪声远大于VCO的固有相位噪声。

图2.当VCO直接在其调谐输入端进行噪声调制时，它会产生每十倍频程斜率为20dB的相位噪声曲线。

产生相位噪声的第二种方法是使用相位调制器调制锁相VCO输出端的载波信号（图1b）。这种方法将噪声注入相位调制器，相位调制器是LCL配置²中的低通滤波器。两个电感是固定的，电容使用变容二极管可变，通过施加反向偏置设置为标称电容水平。变容二极管两端的噪声电压会改变电容，进而改变相位。因此，噪声电压被转换为相位噪声。增加噪声电压会增加相位噪声水平。

相位调制器方法不会限制PLL环路带宽，因此可以根据需要尽可能宽，以实现更快的锁定时间。另一个优点是，相位噪声曲线不取决于VCO增益，而是取决于相位增益（K阶段），以弧度/伏特为单位。此外，相位增益取决于LCL滤波器的相位响应和变容二极管电容特性。因此，相位调制器之后的VCO输出为：

其中 Vn（t） 是时间时的噪声电压 t。相位噪声项为K阶段Vn（t） = Φ（t）.您可以通过将傅里叶变换应用于 V 来计算相位噪声外（t），但结果很难解析求解。作为近似值³，相位噪声为：

哪里SΦ是 Φ（t） 的光谱密度，单位为 rad²/Hz，并且Sv(ƒn)是光谱密度Vn（t）以 V²/Hz 为单位。因此，相位噪声曲线的形状与调制噪声密度曲线相同。对于白噪声源后接100kHz低通滤波器，相位噪声曲线与滤波器的频率响应相同。在这种情况下，相位噪声电平在滤波器的截止频率内是恒定的，并在-3dB带宽之外滚降（图3）。这种相位调制器电路提供了一种产生可变相位噪声信号的便捷方法，该信号模拟现实世界的噪声信号源，如锁相振荡器。

图3.该相位噪声曲线由图1b中的相位调制器产生。相位噪声曲线的形状与调制噪声密度曲线相同，调制噪声密度曲线是使用100kHz低通滤波器的白噪声。

图1b所示电路在5MHz至30MHz范围内工作良好，您可以轻松调整电感和电容值，以便在其他频率下工作。实验室实验表明，该电路可以扩展到2GHz或3GHz。这些频率需要大约1nH电感和1pF电容，因此该技术受到元件可用性和PCB寄生效应的限制。

变容二极管电容的变化会改变噪声信号幅度和相位。然而，振幅变化远小于相位变化。相位变化表示相位噪声，幅度变化表示幅度噪声（图 4）。该调制器产生的相位调制比幅度调制高约30dB，从而确保相位噪声占主导地位。

图4.该图显示了图10b电路在1MHz时的相位和幅度调制。相位调制比幅度调制大30dB。

产生噪声电压

为相位噪声调制产生噪声电压的方法有很多。最简单的方法是在齐纳二极管的雪崩击穿区域反向偏置（图5a）。二极管的过量散粒噪声由固定增益和可变增益放大器放大。这些级联放大器的增益必须足够高，以产生所需的噪声电压电平。噪声输出后跟一个滤波器，该滤波器根据图1a或图1b中要求的相位噪声曲线对噪声进行整形（图1b所示电路的优点是噪声源曲线的形状与输出相位噪声曲线相同。

图5.齐纳二极管在雪崩击穿模式下反向偏置以产生白噪声。然后对白噪声进行放大和滤波，以产生用于相位噪声调制的噪声曲线（a）。先进的噪声发生器使用微处理器生成多段噪声曲线，该曲线模拟更真实的相位噪声曲线（b）。

实际振荡器的相位噪声曲线可能很复杂。对于低失调频率，它可以以 30dB/十倍频程的速度滚降，在环路带宽内变得平坦，在环路带宽外以 20dB/十倍频程的速度滚降，最后，假设本底噪声平坦（图 6）。相位噪声曲线也可以有几组参考杂散。

图6.在实际的锁相振荡器中，低偏移频率下的相位噪声迅速下降，斜率为30dB/十倍频程。环路带宽内的相位噪声是平坦的。在环路带宽之外，相位噪声以20dB/十倍频程的速度滚降，直到达到本底噪声。马刺也可以出现。

这些相位噪声曲线需要更复杂的噪声产生电路，其设计如图5b所示。它使用微处理器或数字信号处理器（DSP）和数模转换器（DAC）产生复杂的多段噪声曲线。对于图1b的相位调制器，平坦的相位噪声区域由白高斯噪声电压产生，后跟在目标偏移频率内具有平坦频率响应的数字滤波器（即带通滤波器）。为了产生所需的滚降斜率，白高斯噪声后跟FIR或IIR数字滤波器算法。对于杂散，可以在噪声电压中添加正弦波。然后，将所有这些噪声段相加。仍然采用数字格式，噪声电压由DAC转换为模拟电压，然后由重建滤波器转换。

总结

产生相位噪声的技术如图1所示，产生噪声电压的技术如图5所示。图1a电路通过直接调制VCO调谐输入产生相位噪声，图1b电路通过外部相位调制器产生相位噪声。每种技术都会产生不同的相位噪声曲线。图1a的直接调制技术适用于任何VCO频率。对于图1b的相位调制器技术，载波频率受元件可用性和PCB寄生效应限制在几千兆赫兹。

审核编辑：郭婷