每個系統中都存在噪聲。相位噪聲尤其常見于振蕩器中，鎖相環會降低系統性能。無線通信系統振蕩器中的相位噪聲會降低接收器在倒易混頻條件下的靈敏度。電信系統中的相位噪聲會導致信號鏈中的時間抖動。雖然工程師通常會盡量降低相位噪聲，但有時出于測試目的，他們會故意降低相位噪聲。有意引入相位噪聲有助于測試系統對相位噪聲或抖動的容限。因此，具有可調相位噪聲水平的信號可用于測試目的。

介紹

所有電子元件都會產生相位噪聲，但振蕩器通常是主要來源。壓控振蕩器（VCO），無論是自由運行的還是鎖相的，都會因噪聲調制而產生相位噪聲。因此，從邏輯上講，相位噪聲規格表征光譜純度。例如，理想振蕩器的輸出將是純正弦波，在頻域中表示為單頻垂直線。然而，事實上，振蕩器包括噪聲源，導致輸出頻率偏離其理想位置，在載波附近產生不需要的頻率的“裙邊”。

產生相位噪聲的方法

您可以通過兩種方式有意產生或加劇相位噪聲。一種方法是使用噪聲源直接調制振蕩器或VCO。VCO（圖1a）通過鎖相環（PLL）鎖相，環路濾波器的帶寬設置為低于最小調制頻率。例如，如果目標的最小相位噪聲偏移頻率為10Hz（來自載波），則將PLL環路帶寬設置為1Hz。您將噪聲直接注入VCO的頻率調諧輸入，在那里調制VCO以在輸出端產生相位噪聲。然后，您可以通過增加輸入噪聲密度水平來提高相位噪聲電平。

圖1.相位噪聲是通過將電壓噪聲直接注入VCO的調諧輸入（a）或相位調制器的變容二極管（b）產生的。

輸出相位噪聲由VCO增益（KVCO).假設VCO頻率為：?o，并由噪聲源Vn(?n)頻率為 1Hz 的帶寬?n.使用窄帶近似進行頻率調制1，VCO 輸出為：

第一項表示載波信號;第二項表示與載波偏移時的噪聲功率。相位噪聲定義為失調處的噪聲功率與載波功率的比值?o:

記住Vn(?n)是 1Hz 帶寬內的 RMS 噪聲電壓?n.相位噪聲曲線是噪聲源曲線除以?n.因此，對于具有調制VCO的平坦噪聲密度曲線的白噪聲輸入源（Vn(?n)=恒定），輸出相位噪聲曲線降低20dB/十倍頻程，如圖2所示。（這假設感應相位噪聲遠大于VCO的固有相位噪聲。

圖2.當VCO直接在其調諧輸入端進行噪聲調制時，它會產生每十倍頻程斜率為20dB的相位噪聲曲線。

產生相位噪聲的第二種方法是使用相位調制器調制鎖相VCO輸出端的載波信號（圖1b）。這種方法將噪聲注入相位調制器，相位調制器是LCL配置2中的低通濾波器。兩個電感是固定的，電容使用變容二極管可變，通過施加反向偏置設置為標稱電容水平。變容二極管兩端的噪聲電壓會改變電容，進而改變相位。因此，噪聲電壓被轉換為相位噪聲。增加噪聲電壓會增加相位噪聲水平。

相位調制器方法不會限制PLL環路帶寬，因此可以根據需要盡可能寬，以實現更快的鎖定時間。另一個優點是，相位噪聲曲線不取決于VCO增益，而是取決于相位增益（K階段），以弧度/伏特為單位。此外，相位增益取決于LCL濾波器的相位響應和變容二極管電容特性。因此，相位調制器之后的VCO輸出為：

其中 Vn（t） 是時間時的噪聲電壓 t。相位噪聲項為K階段Vn（t） = Φ（t）.您可以通過將傅里葉變換應用于 V 來計算相位噪聲外（t），但結果很難解析求解。作為近似值3，相位噪聲為：

哪里SΦ是 Φ（t） 的光譜密度，單位為 rad2/Hz，并且Sv(?n)是光譜密度Vn（t）以 V2/Hz 為單位。因此，相位噪聲曲線的形狀與調制噪聲密度曲線相同。對于白噪聲源后接100kHz低通濾波器，相位噪聲曲線與濾波器的頻率響應相同。在這種情況下，相位噪聲電平在濾波器的截止頻率內是恒定的，并在-3dB帶寬之外滾降（圖3）。這種相位調制器電路提供了一種產生可變相位噪聲信號的便捷方法，該信號模擬現實世界的噪聲信號源，如鎖相振蕩器。

圖3.該相位噪聲曲線由圖1b中的相位調制器產生。相位噪聲曲線的形狀與調制噪聲密度曲線相同，調制噪聲密度曲線是使用100kHz低通濾波器的白噪聲。

圖1b所示電路在5MHz至30MHz范圍內工作良好，您可以輕松調整電感和電容值，以便在其他頻率下工作。實驗室實驗表明，該電路可以擴展到2GHz或3GHz。這些頻率需要大約1nH電感和1pF電容，因此該技術受到元件可用性和PCB寄生效應的限制。

變容二極管電容的變化會改變噪聲信號幅度和相位。然而，振幅變化遠小于相位變化。相位變化表示相位噪聲，幅度變化表示幅度噪聲（圖 4）。該調制器產生的相位調制比幅度調制高約30dB，從而確保相位噪聲占主導地位。

圖4.該圖顯示了圖10b電路在1MHz時的相位和幅度調制。相位調制比幅度調制大30dB。

產生噪聲電壓

為相位噪聲調制產生噪聲電壓的方法有很多。最簡單的方法是在齊納二極管的雪崩擊穿區域反向偏置（圖5a）。二極管的過量散粒噪聲由固定增益和可變增益放大器放大。這些級聯放大器的增益必須足夠高，以產生所需的噪聲電壓電平。噪聲輸出后跟一個濾波器，該濾波器根據圖1a或圖1b中要求的相位噪聲曲線對噪聲進行整形（圖1b所示電路的優點是噪聲源曲線的形狀與輸出相位噪聲曲線相同。

圖5.齊納二極管在雪崩擊穿模式下反向偏置以產生白噪聲。然后對白噪聲進行放大和濾波，以產生用于相位噪聲調制的噪聲曲線（a）。先進的噪聲發生器使用微處理器生成多段噪聲曲線，該曲線模擬更真實的相位噪聲曲線（b）。

實際振蕩器的相位噪聲曲線可能很復雜。對于低失調頻率，它可以以 30dB/十倍頻程的速度滾降，在環路帶寬內變得平坦，在環路帶寬外以 20dB/十倍頻程的速度滾降，最后，假設本底噪聲平坦（圖 6）。相位噪聲曲線也可以有幾組參考雜散。

圖6.在實際的鎖相振蕩器中，低偏移頻率下的相位噪聲迅速下降，斜率為30dB/十倍頻程。環路帶寬內的相位噪聲是平坦的。在環路帶寬之外，相位噪聲以20dB/十倍頻程的速度滾降，直到達到本底噪聲。馬刺也可以出現。

這些相位噪聲曲線需要更復雜的噪聲產生電路，其設計如圖5b所示。它使用微處理器或數字信號處理器（DSP）和數模轉換器（DAC）產生復雜的多段噪聲曲線。對于圖1b的相位調制器，平坦的相位噪聲區域由白高斯噪聲電壓產生，后跟在目標偏移頻率內具有平坦頻率響應的數字濾波器（即帶通濾波器）。為了產生所需的滾降斜率，白高斯噪聲后跟FIR或IIR數字濾波器算法。對于雜散，可以在噪聲電壓中添加正弦波。然后，將所有這些噪聲段相加。仍然采用數字格式，噪聲電壓由DAC轉換為模擬電壓，然后由重建濾波器轉換。

總結

產生相位噪聲的技術如圖1所示，產生噪聲電壓的技術如圖5所示。圖1a電路通過直接調制VCO調諧輸入產生相位噪聲，圖1b電路通過外部相位調制器產生相位噪聲。每種技術都會產生不同的相位噪聲曲線。圖1a的直接調制技術適用于任何VCO頻率。對于圖1b的相位調制器技術，載波頻率受元件可用性和PCB寄生效應限制在幾千兆赫茲。

審核編輯：郭婷