相位噪声是振荡器的根本目标之一。 经验丰富的工程师能够经过检查相位噪声图来了解有关振荡器质量以及它是否适宜运用的许多信息。 RF 工程师专心于某些载波偏移频率下的相位噪声水平，以保证能够支撑所需的调制计划。 规划 40GbE 等高速串行链路的专业人员将带通滤波器运用于参阅时钟的相位噪声，对其进行积分，并将其转化为相位颤动以猜测体系的误码率。
本运用攻略首要扼要介绍相位噪声和相位噪声丈量办法的理论概述，然后要点介绍有用的相位噪声丈量主张，例如将被测信号正确衔接到仪器、设置相位噪声剖析仪以及挑选适宜的相位噪声剖析仪。 设置。 本文档中的一切丈量均运用 Keysight E5052B 相位噪声剖析仪进行，该剖析仪是北美最常用的相位噪声丈量仪器之一。
相位噪声是信号短期相位不安稳性的频域表明。 相位噪声一般被描绘为单边带 (SSB) 相位噪声并表明为 L(f)。 相位噪声的经典界说是在载波偏移频率处测得的功率谱密度与信号总功率之比。 出于实践意图，此界说已稍作修正，以便在载波偏移频率处丈量的功率谱密度以载波功率为参阅，而不是以总积分信号功率为参阅（图 2-1）。
运用频谱剖析仪丈量相位噪声时，经典界说很便利，但它结合了起伏和相位噪声效应。 它还对具有高相位噪声的信号有约束。 经典界说一般适用于峰峰值相位偏差远小于 1弧度的信号。 它也永久不能大于0dB，由于信号中的噪声功率不能大于信号的总功率。
最近，相位噪声被从头界说为相位动摇 L(f) = SΦ(f)/2 的功率谱密度的一半。 抱负的正弦波能够表明为 f(t) = A∙sin(ωt + φ)。 具有相位噪声的正弦波能够表明为 f(t) = A∙sin(ωt + φ(t))，其间 φ(t) 是相位噪声。 那么 SΦ(f) 是 φ(t) 的功率谱密度。 以这种办法界说时，相位噪声与起伏噪声是分隔的。 它也能够大于 0 dB，这意味着相位改变大于 1 弧度。
有两种广泛运用的相位噪声丈量办法。 榜首个运用频谱剖析仪的功率谱丈量和相位噪声的经典界说。 信号频谱是在必定的分辨率带宽下丈量的。 然后核算相位噪声，如图 2-1 所示。
第二种办法经过 SΦ(f) 与最新的相位噪声界说兼容，并运用相位检测器技能。 这种办法的根本原理是运用鉴相器将被测信号与参阅信号进行比较。 鉴相器的输出与其输入之间的相位差成正比（图 3-1）。
鉴相器办法有许多种。 Keysight E5052B 剖析仪完成了此办法的两种不同变体，在仪器设置中称为“正常”和“宽”。
正常形式是一种 PLL 办法，它运用 PLL 将参阅振荡器确定到被测信号。 这样做是为了使参阅信号和源信号在相位检测器输入上坚持 90° 相位差。 相位检测器的输出运用 ADC 进行采样，并运用快速傅立叶改换 (FFT) 核算 SΦ(f)。
在宽丈量形式下，E5052B 运用所谓的外差（数字）鉴别器办法。 它运用模仿混频器将被测信号转化为中频 (IF)，然后用 ADC 对其进行采样。 相位检测器在 DSP 中完成，它将信号与本身的推迟版别进行比较。 相位检测器的输出用数字低通滤波器进行滤波，以将相位差重量与高频重量分隔。 这个代表相位噪声的时域数字信号然后在 DSP 中经过 FFT 和归一化运转。
正常形式用于安稳的时钟源。 它供给了最佳的灵敏度和广泛的偏移掩盖规模。 关于具有高电平挨近载波相位噪声的信号，主张运用宽形式。 互相关可用于进步外差（数字）鉴别器办法的丈量灵敏度，尤其是在挨近偏移处。
热噪声是由导体中电荷载流子的热运动发生的电子噪声。 它表明为给定温度下每赫兹带宽的均匀噪声功率。 电阻器的温度越高，电荷载流子的动能就越高，这导致温度越高噪声越大。 热噪声本质上是宽带的，而且具有近似平整的频谱。
热噪声能够约束弱信号的相位噪声丈量本底噪声。 室温下的热噪声为 -174 dBm/Hz。 热噪声中的相位噪声功率部分比总功率小 3 dB，导致在室温下为 -177 dBm/Hz。 相位噪声丈量的理论本底噪声是载波信号功率与热噪声的相位噪声部分之间的差值。 表 4-1 显现了不同功率电平输入信号的理论相位噪声丈量本底噪声。
或许需求有源扩大器将被测信号路由到相位噪声剖析仪，例如当信号太弱而无法直接衔接到仪器的 50Ω 输入时。 一个典型的比如是在精细 TCXO 和 OCXO 中经常看到的削波正弦输出类型。 削波正弦输出驱动器的阻抗相对较高，不能直接驱动 50Ω 负载。 另一个比如是在不加载电路的状况下丈量客户板上的相位噪声。
任何有源扩大器都有自己的噪声系数，并在信号经过扩大器时向源信号添加噪声。 成果，与输入信号比较，扩大器输出端的信噪比下降。 如果在将被测信号衔接到相位噪声剖析仪之前有必要对其进行扩大或缓冲，则有必要考虑扩大器的噪声系数以保证扩大器添加的噪声能够疏忽不计。
有源探头供给了一种拜访体系或评价板上信号的快捷办法。 它们为体系添加了最小的寄生负载，并附带了许多附件，能够轻松衔接到电路板上的走线、引脚、探针点或其他功用。 有源探头首要规划用于高带宽信号的精确波形丈量。 因而，运用有源探头进行相位噪声丈量时存在两个首要问题：
2、为保证探头的高带宽才能，探头中的扩大器对信号电平进行分频。 这意味着相位噪声剖析仪输入上的信号功率会下降，而且由于热噪声而导致丈量本底噪声下降。
振荡器能够有不同的输出信号类型。 两大类是单端信号和差分信号。 单端信号在相关于公共地的单线上承载时钟信号。 差分信号运用两根信号线传输相同的时钟信号，这些时钟信号互相相差 180°。
LVCMOS 是一种单端输出类型，一般具有从 0V 到 VDD 的输出电平。 输出阻抗一般介于 20Ω 和 40Ω 之间。 LVCMOS 输出一般能够直接衔接到相位噪声剖析仪的 50Ω 输入，但需求记住以下几点：
2、相位噪声剖析仪的输入端具有 50Ω 端接，将 50Ω 负载加载到振荡器会从输出驱动器汲取很多电流。 这种功耗会稍微添加内部芯片温度。 来自驱动器的高电流耗费的另一个影响是相位噪声中称为杂散的谐波重量的水平。 如果有任何与输出驱动器对振荡器电路中其他模块的影响相关的杂散，则添加驱动器电流或许会添加这些杂散的电平，而且它们的起伏将比正常负载条件下的起伏更大。
削峰正弦输出是单端输出，具有缓慢的上升/下降时刻和下降的信号电平，精细 TCXO 和 OCXO 经常会遇到这种状况。 这种输出的输出阻抗相对较高（kΩ 规模），将削峰正弦输出直接衔接到相位噪声剖析仪的 50 Ω 输入意味着信号功率低，热噪声将明显约束丈量本底噪声。 例如，具有 1 kΩ 源阻抗和 1V 峰峰值电压的削波正弦输出将为 50 Ω 仪器输入供给大约 -20 dBm 的功率。 这导致理论丈量本底噪声为 -157 dBc/Hz，这关于应该在与载波偏移 5 MHz 处到达 -170 dBc/Hz 的时钟信号是不行承受的。
为了防止这种状况，有必要将信号功率提升到可承受的水平。 一种挑选是运用低噪声射频扩大器，如 Mini-Circuits ZX60-3018G-S+（图 4-1）。 它具有 SMA 输入和 SMA 输出，能够轻松地注入到丈量设置中。
振荡器最常见的差分信号类型是 LVPECL 和 LVDS。 不太盛行但仍在某些运用程序中运用的是 HCSL。 差分输出具有许多长处：共模降噪、抗噪声耦合、超卓的电源噪声按捺和高频才能。
相位噪声剖析仪一般有单端输入，但差分接口有两个输出。 将差分输出衔接到具有 50 Ω 输入的单端仪器的最简略办法是将其间一个输出直接衔接到仪器，并用 50 Ω 将另一个输出端接地以平衡驱动电流。 这种办法的两个缺陷是共模噪声没有被消除，这会添加本底噪声而且丢失了一半的信号功率。 此外，如前所述，较弱的信号会导致热噪声的影响较大。
更好的解决计划是运用平衡-非平衡转化器巴伦将差分信号转化为单端信号，然后衔接到相位噪声剖析仪。 巴伦是一种高频变压器，其间差分信号衔接到初级绕组的两边，单端信号从次级绕组中取出。 图 4-2 阐明晰在单端形式（衔接到相位噪声剖析仪的输出之一）和运用 JTX-2-10T 射频变压器作为巴伦的 JTX-2-10T 射频变压器在单端形式下丈量的 SiT9365 差分振荡器的相位噪声。 能够观察到，单端丈量具有更高的本底噪声。
大多数相位噪声丈量仪器都具有主动设置功用。 其意图是为给定的输入信号挑选最佳的仪器设置。 在 Keysight E5052B 相位噪声剖析仪中运用主动设置时，仪器会检测输入信号的功率电平缓频率，并主动设置多项设置，包含输入衰减、中频增益和频率规模。 一切其他设置，如开端/中止频率、均匀或互相关，取决于丈量需求，而不是由主动设置设置。 图 5-1 显现了运用 Keysight E5052B 剖析仪运用主动设置进行的相位噪声丈量。 被测信号是经过巴伦转化器衔接的 SiT9365 差分振荡器。
图 5-1：运用 Keysight E5052B 剖析仪运用主动设置进行相位噪声丈量。 被测信号：SiT9365差分振荡器经过巴伦转化器衔接。
有必要依照仪器供货商的主张设置输入衰减。 过多的衰减或许会将信号功率下降到热噪声开端下降本底噪声的程度。 衰减太小或许会导致电路过载和丈量成果欠安。 图 5-2 阐明晰当输入衰减器设置从主动设置功用挑选的 0 dB 更改为 20 dB 和 30 dB 时，相位噪声丈量本底噪声怎么添加。
大多数相位噪声剖析仪都具有丈量均匀功用。 此功用按指定的次数运转丈量并对成果求均匀值。 它使相位噪声轨道看起来更滑润，但需求更多的时刻。
图 5-3 显现了运用 Keysight E5052B 剖析丈量的 SiT5356 精细 TCXO 相位噪声。 运用了两种均匀设置：无均匀和 16 倍均匀。 抱负状况下，用户应该测验几种不同的均匀设置，以丈量速度和丈量质量之间的最佳平衡。
从图 5-3 中能够看出，有和没有均匀的轨道都是滑润的，而且在远偏移量处简直相同，但没有均匀的轨道在偏移量邻近看起来十分“喧闹”。这种差异首要是由于 Keysight E5052B 剖析仪处理数据的办法形成的。以高采样率搜集原始相位数据。在完好数据集上运转 FFT 需求很多核算资源，因而仪器将相位噪声图拆分为固定段。这答应对绘图段运用不同的分辨率，因而较低的偏移量能够具有更高的分辨率，而远处的偏移量能够具有较低的分辨率。这关于以对数水平刻度制作数据十分便利。例如，1 Hz 到 47.7 Hz 是榜首段，47.7 Hz 到 190.7 Hz 是下一段，依此类推。为了核算榜首段的 FFT，运用原始数据的完好时刻长度，但经过越过样本下降了采样率。关于下一段，采样率高于榜首段，但序列的持续时刻削减（参见图 5-4）。
这种办法还有另一个优点。在图 5-4 中，用于核算段 4 的 FFT 的数据具有最大采样率，但持续时刻相对较短。这意味着能够将原始相位数据集切割成多个接连的数据集，就像图中用于核算 FFT 的数据集相同。然后能够为每个数据集独自核算 FFT 并取均匀值以取得更好的段丈量成果（图 5-5）。在相位噪声剖析仪文档中，这个进程被称为履行必定数量的相关，由于履行了多个互相关的矢量均匀。 Keysight E5052 手册指定了对相位噪声图的每一段运用了多少相关性。这是仪器主动履行的附加处理，用户无法控制。这便是为什么运用 Keysight E5052B 剖析仪丈量的相位噪声迹线在较高偏移下看起来很滑润，但需求均匀以进步偏移邻近的丈量质量。
互相关是另一种改进相位噪声丈量本底噪声的技能。 衔接到相位噪声剖析仪的被测信号被分红两个丈量通道，由参阅源和 PLL 体系组成。 在这两个通道的输出之间运用互相关。 来自被测信号的噪声是相干的，因而不受互相关操作的影响。 来自丈量通道的噪声对错相干的，因而它们以 sqrt(M) 的速率经过互相关削减，其间 M 是相关数。
其间 是被测噪声， 是被测信号中存在的噪声，1 和2 别离是丈量通道1 和通道2 添加的噪声，而是相关数。
运用互相关设置能够改进丈量本底噪声。 这也是一种对相位噪声数据运用均匀并滑润轨道的办法。 缺陷是丈量时刻明显添加。 图 5-6 阐明晰互相关功用怎么协助在挨近偏移处取得更好的丈量成果。
杂散是相位噪声频谱中的谐波重量。 在相位噪声图上，它们看起来像数据上的笔直尖峰。 频域中杂散的抱负数学模型是 Dirac delta 函数乘以杂散起伏，因而无法经过以 dBc/Hz 表明的功率谱密度来精确描绘杂散。 更好的杂散丈量单位是 dBc。
随机噪声是无界的，峰峰值跟着样本量的添加而添加。 确定性噪声是有界的，不会跟着样本巨细而添加。 在核算对体系功用的影响时，有必要别离考虑随机和确定性相位噪声重量。
大多数相位噪声丈量仪器都有内置算法来检测杂散并以不同的办法处理它们，以便将它们与随机噪声分隔。 图 5-7 显现了运用 Keysight E5052B 剖析仪在规范化杂散处理形式下丈量的相位噪声。 在这种形式下，杂散与随机噪声没有差异，而且以与随机噪声相同的办法进行处理。 图 5-8 阐明晰检测杂散并将它们从图中删去的疏忽形式。 图 5-9 显现了功率杂散形式下的相同相位噪声丈量。 此形式检测杂散，将它们与随机噪声分隔，并以 dBc 为单位表明。 它们也以与随机噪声不同的色彩显现。
图 5-7：在没有杂散处理的状况下丈量的相位噪声（标准化杂散形式）。 仪器：Keysight E5052B。 被测设备：SiT9365，156.25 MHz。
请必须留意，当杂散以 dBc 为单位显现时，它们或许看起来很大且令人不安。 实践上，它们以不同的单位表明，无法在视觉上与随机噪声进行比较。 在颤动影响方面了解杂散值的一个好办法是将杂散从 dBc 转化为时刻单位。 Keysight E5052B 剖析仪具有答应导出杂散表的功用。 运用以下公式，能够将杂散从 dBc 转化为 fsrms：
图 5-9：在检测到杂散并以 dBc 为单位显现的状况下丈量的相位噪声（功率杂散形式）。 仪器：Keysight E5052B。 被测设备：SiT9365，156.25 MHz。
