射频信号时间频率稳定性的相位噪声和抖动

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1.      射频信号时间频率稳定性

1.1.    什么是相位噪声(Phase noise)

相位噪声是指系统(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。

1.2.    相位噪声的本质

相位噪声体现信号相位的随机变化,量值是在某频率处dBc/Hz

dBc体现比值概念,那么这是功率比值还是相位比值?答案是功率比值,对应相位随机变化的分布幅度和概率。

1.3.    什么是抖动(Jitter)

相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。

相噪是在频域定标,抖动是在频域定标,两者可以相互转换:

相位噪声L对应的线性功率P(f)=10^(L/10)

频段(Δf=f2-f1)内,功率密度积分,对应相位变化ΔΦ=sqrt(2*∫ P(f)df),即剩余调相;

对于频率为fc的信号,其时域抖动jitter = ΔΦ/(2*π*fc)

 

由相噪结果计算得来的抖动(均方根值)数值单位是s,对应相应相噪分析的频段(频偏),多个频段的抖动数值可以通过均方根值合成一个数值,对应整个频段的抖动值。

2.      相噪测试方法

2.1.    频谱仪

频谱分析法理解相位噪声(功率比值):

测试频率f0的信号功率P0dBm),在f0+Δf频率偏移处读取的功率密度值P1(dBm/Hz),对应相位噪声LdBc/Hz)。

2.2.    信号源分析仪 – PLL

PLL鉴相法理解相位噪声(相位变化的功率谱比值):

信号Signal = Cos(wt+Φ(t))

信号的初相Φ(t)在时域的抖动,数字化转换为频域功率谱(FFT),对应相位噪声LdBc/Hz)。

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处于灵敏度的考虑,信号源分析仪通常有互相关的功能。简而言之,信号与分析仪内置两个独立的PLL系统,被测信号进入两个PLL后,产生两个带噪声的直流信号;通过相关运算,将PLL内置参考源的噪声归零,仅剩被测信号的相噪。

2.3.    信号源分析仪  数字解调

将被测信号Signal = Cos(wt+Φ(t))量化为I/Q数据后,直接解调分析Φ(t)。将时域Φ(t)通过FFT转换为频域,即为信号的相位噪声。

Φ(t)=angle(IQ)

Phasenoise = FFT(Φ(t))

本方法也可以通过两个解调通道,实现互相关,从而提高灵敏度。

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相位噪声是指系统(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。由相噪结果计算得来的抖动(均方根值)数值单位是s,对应相应相噪分析的频段(频偏),多个频段的抖动数值可以通过均方根值合成一个数值,对应整个频段的抖动值。