相位噪聲反映的是單載波信號的頻譜純度,如果沒有相位噪聲,信號的所有功率都應(yīng)集中在其振蕩頻率f0處(下圖左Carrier),這個理想信號用Asin(ωt)表示。由于存在相位噪聲(下圖左Noise),相當于在理想信號上調(diào)制了一個Φ(t)相位信號,此時整個信號表示為Asin(ωt+Φ(t))。在頻譜上體現(xiàn)為一部分功率擴展到相鄰的頻率中去,形成邊帶(下圖右)。相噪定義為單邊帶某一給定偏移頻率fn處1Hz帶寬內(nèi)的功率Pn與信號總功率Ps比值的對數(shù),即 10lg(Pn/Ps),相噪以dBc/Hz@fn為單位來表示。這里dBc的含義是某頻點功率與信號總功率的比值(下圖右),對應(yīng)于時鐘相位偏移與時鐘周期的比值。
相噪測量
相噪測量一般使用相噪儀進行,由于技術(shù)發(fā)展,現(xiàn)在相噪儀不僅可以測量相噪,還可以分析電源等其它信號的噪聲,所以相噪儀也稱為信號分析儀。相噪儀的原理與頻譜儀類似,但是更加精密,并增加了一些特定的分析功能,因此使用頻譜儀也可以粗略地測試相噪。相噪儀測試相噪有多種測量方法,但使用zui廣泛的還是頻譜分析法和鑒相法這兩種測量原理。
頻譜分析法
頻譜分析法是對時鐘信號進行頻譜分析,先測量信號總功率Ps,再測量某一偏移頻率出的功率Pn,再經(jīng)過計算便可得到該被測時鐘的單邊帶相位噪聲。頻譜分析法是一種簡單直接的相噪分析技術(shù),適宜于測量漂移較小但相位噪聲相對較高的信號;但是頻譜分析法不能分辨出調(diào)幅噪聲和相位噪聲,測試波形不太的時鐘信號相噪時會存在較大誤差;另外由于頻譜儀的動態(tài)范圍和zui小分辨帶寬的限制,測量精度受限。
鑒相法
鑒相法采用外差混頻方式將被測時鐘信號轉(zhuǎn)化至中頻,在中頻用一個鎖相環(huán)提取出被測時鐘信號的載波信號,再將該信號與被測信號正交鑒相,從而提取被測時鐘信號的相位噪聲Φ(t) ,處理后得到頻域相噪SΦ(f) ,進一步積分可以得到L(f) ,L(f)對應(yīng)于RMS相噪。鑒相法的優(yōu)點是動態(tài)范圍大,相噪電平采用低噪放大器提高靈敏度,并且可以分辨調(diào)幅噪聲和相位噪聲。
另外,鑒相法還可以進一步增加互相關(guān)技術(shù)來增加靈敏度?;ハ嚓P(guān)技術(shù)是將兩路鑒相法組合起來,對其輸出信號執(zhí)行互相關(guān)操作。待測時鐘的噪聲通過每路通道仍然是相關(guān)的,不受互相關(guān)影響;每路通道內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲是不相關(guān)的,被互相關(guān)操作抑制。引入互相關(guān)技術(shù)后無需特別精密的器件就可以實現(xiàn)更高的測量靈敏度。