相位噪声定义与测量基础

vying

频标源：  频率标准源（高稳晶振、原子频标等）

是什么：
相位噪声（Phase noise）是指系统（如各种射频器件）在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化。

用途：
1 相位噪声是衡量频率标准源（高稳晶振、原子频标等）频稳质量的重要指标。
2 相位噪声的大小可以反映出射频器件的优劣。在设计和使用射频器件时，要注意射频器件对相位噪声的抑制能力。相位噪声越小，射频器件越好。

挑战：
1 如何减少测量系统本身的噪声对测量结果的影响，
2 提高系统的测量灵敏度

描述无线电波的三要素是幅度、频率、相位。

其他：
频率和相位相互影响。理想情况下，固定频率的无线信号波动周期是固定的，正如飞机的正常航班一样，起飞时间是固定的。频域内的一个脉冲信号（频谱宽度接近0）在时域内是一定频率的正弦波。

边带信号：
但实际情况是信号总有一定的频谱宽度，而且由于噪声的影响，偏离中心频率的很远处也有该信号的功率。 偏离中心频率很远处的信号叫做边带信号。 这个边带信号就叫做相位噪声。

边带信号可能被挤到相邻的频率中去，正如延误的航班可能挤占其他航班的时间，从而使航班安排变得混乱。

在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。（能不能给出示意图？）

相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。（什么是不同的定量方式？）

用一个振荡器信号来解释相位噪声。如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从下图中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。


相位噪声的定义：
相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。

一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。

V(t)=[A0+ε(t)]sin[2πf0t+j(t)] （2）
在研究相位噪声的测量时,由于考虑振荡器的幅度噪声调制功率远小于相位噪声调制功率,所以 ε(t) <<A0,通常可以将ε(t)忽略不计,而主要是对j(t)项进行测量。

如果本振信号的相噪较差，会增加通信中的误码率，影响载频跟踪精度，还影响通信接收机信道内、外性能测量，相噪对邻近频道选择性的影响。

测量方法：
零拍测量法
鉴相器测量方法：
如果需要分离相位噪声和调幅噪声，则需使用鉴相器法进行相位噪声的测量。鉴相器可将两个输入信号的相位差转换为鉴相器输出端的电压。相位差设置为 90° (正交) 时，电压输出为 0 V。偏离正交的任何相位波动都将引发输出端的电压变化。

缺点：
当被测件是更大的噪声源，具有高电平、低速率的相位噪声或者邻近载频的杂散边带较高时，会影响鉴相器 PLL 技术的测量。

目前已根据鉴相器原理开发了多种测量方法。其中，参考信号源/PLL (锁相环) 和鉴频器方法应用最广泛。

参考信号源/PLL (锁相环)
将双平衡混频器用作鉴相器。两个信号源，分别来自被测件和参考信号源，为混频器提供输入。
调整参考信号源与被测件具有相同的载波频率 (fc)，并设为额定相位正交 (异相 90°)。
混频器的相加频率 (2fc) 将由低通滤波器 (LPF) 滤出，混频器的相减差频为 0 Hz (dc)，平均电压输出为 0 V（因为鉴相器的两路输入信号相差为90°）。
上述信号平均电压为0V，故可视为直流信号。但由于噪声的存在，该直流信号带有交流电压波动。该波动与两个输入信号的合成 (总 rms)噪声成比例。
为了精确测量被测件信号的相位噪声，参考信号源的相位噪声应该低至可忽略水平，或者得到了很好的表征。
基带信号通常会在放大后输入基带频谱分析仪。

参考信号源/PLL 方法提供最佳的总体灵敏度和最广泛的测量范围 (例如 0.01 Hz 至 100 MHz 的频率偏置范围)。
另外，该方法对 AM 噪声不敏感，并可以跟踪漂移信号源。
但是该方法需要一个干净的可电子调谐参考信号源，而且在测量高漂移率信号源时需要参考信号源必须具有宽的调谐范围。

鉴频器方法：
使用延迟线的鉴频器方法。将被测件信号经功分器分到两路通道，一路信号相对于另一路信号产生延迟。
延迟线将频率起伏转换为相位起伏（所以该方法被称为 鉴频器方法）。
调整延迟线或移相器从而确保混频器 (鉴相器) 的两个输入相位正交。
之后，鉴相器将相位波动转换为电压波动，电压波动以频率噪声形式在基带频谱分析仪上显示。
随后，频率噪声转换为被测件的相位噪声读数。

延迟线：
延迟线将频率起伏转换为相位起伏。
较长的延迟线可提高灵敏度，但延迟线的插入损耗可能超过信号源功率，并且无法进一步改进。
并且，较长延迟线会限制可测得的最大偏置频率。因此该方法非常适用于自由振荡信号源，例如 LC 振荡器或晶体振荡器。