利用相位噪声发生器辅助系统测试

利用相位噪声发生器辅助系统测试

摘要：任何系统都存在噪声。尤其是振荡器和锁相环中的相位噪声会使系统性能恶化。在无线通信系统中，振荡器的相位噪声在倒易混频时会降低接收器的灵敏度。而远程通信系统中的相位噪声会引起信号链路的时间抖动。工程师们通常都会尽一切可能使相位噪声降到最小，但有时为了测试的目的，会有意提高相位噪声。本文通过对相位噪声的讨论，介绍测试系统相位噪声或抖动容限的方法。由此可见，相位噪声可调的信号对于系统测试非常有用。

概述

任何电子器件都会产生相位噪声，而振荡器是主要的噪声源。压控振荡器(VCO)在自激振荡或相位锁定时都会由于噪声调制产生相位噪声。这符合相位噪声指标表示频谱纯度的理论。例如一个理想的振荡器，输出是纯粹的正弦信号，在频域中是单一频点的垂直谱线。但实际上，振荡器所包含的噪声源会使输出频率偏离它的理想位置，在载波附近产生一些不需要的频率。

产生相位噪声的方法

有两种方法产生或提高相位噪声。一种方法是直接用噪声源调制振荡器或VCO。压控振荡器(图1a)利用锁相环(PLL)锁定相位，且环路滤波器的带宽比最小调制频率低。假如所考虑的最小相位噪声的频率偏差是10Hz (距离载波)，将锁相环的环路带宽设为1Hz。在压控振荡器的频率调谐输入端直接注入噪声，这样就会调制VCO在输出端产生相位噪声。此时，可以通过提高输入噪声密度增大相位噪声。第一项代表载波信号；第二项代表偏离载波处的噪声功率。相位噪声定义为频偏处的噪声功率与_o频点载波功率的比值。V_n(_n)是在_n 1Hz带宽内的均方根噪声电压。相位噪声分布是噪声源分布除以_n。因此，用噪声密度分布平坦的白噪声(V_n(_n) = 常数)输入源调制VCO时，输出相位噪声分布每10倍频程降低20dB，如图2所示(假设调制产生的相位噪声远远大于VCO固有的相位噪声)。这种相位调制方式对PLL环路带宽没有限制，所以为了获得更短的锁定时间，环路带宽可以尽可能宽。这种方法的另外一个优点是相位噪声分布与VCO增益无关，而由相位增益(K_PHASE)决定, 单位是弧度/伏。此外，相位增益由LCL滤波器的相位响应和变容二极管的电容特性决定。相位调制器的VCO输出是：其中，V_n(t)是时刻t的噪声电压。相位噪声是K_PHASEV_n(t) = Φ(t)。可以通过对V_OUT(t)做傅立叶变换计算相位噪声，但是很难求解。相位噪声的近似值³是：其中，S_Φ是Φ(t)的谱密度，单位为rad²/Hz，S_v(_n)是V_n(t)的谱密度，单位是V²/Hz。因此，该相位噪声分布具有与调制噪声密度分布一样的波形。白噪声经过一个截止频率为100kHz的低通滤波器后，相位噪声分布同滤波器的频率响应相同。这种情况下，相位噪声在滤波器的截止频率内为常数，而在-3dB带宽外开始下降(图3)。使用相位调制电路可以很方便地产生可变相位噪声信号来模拟锁相振荡器等真实世界的噪声源。变容二极管电容的改变会同时改变噪声信号的幅度和相位。但是，幅度的变化比相位的变化小得多。相位的变化表现为相位噪声，而幅度的变化表现为幅度噪声(图4)。该调制器产生的相位调制比幅度调制大30dB，从而保证相位噪声起主导作用。

参考文献

1. Behzad Razavi, RF Microelectronics. Upper Saddle River, NJ, 1998, pg 223.
2. Enrico Rubiola et. al., "The ±45° Correlation Interferometer as a Means to Measure Phase Noise of Parametric Origin," IEEE Transactions On Instrumentation and Measurement, Vol. 52, No. 1, pp. 182-188.
3. A. L. Lance et. al., "Phase Noise Measurement Systems," ISA Transactions, Vol. 21 No. 4, pp. 37-44.