一、什么是相位噪聲？

相位噪聲(Phase Noise)是指系統(tǒng)(如射頻器件)在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號(hào)相位的隨機(jī)變化。它是衡量頻率標(biāo)準(zhǔn)源(高穩(wěn)晶振、原子頻標(biāo)等)的短期穩(wěn)定度的重要指標(biāo)，隨著頻率源性能的不斷改善，相應(yīng)噪聲越來(lái)越小，因而對(duì)相位噪聲的測(cè)量要求也越來(lái)越高。

相位噪聲通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。如圖1所示，一個(gè)振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號(hào)功率與信號(hào)的總功率比值，約等于中心頻率f0處曲線的高度與fm處曲線的高度之差。

通常情況下，一個(gè)單頻率正弦信號(hào)是頻域的沖擊函數(shù)，但在使用頻譜分析儀或接收機(jī)測(cè)量中測(cè)量中，在頻譜的周圍會(huì)有很多毛刺，噪底被抬升，越接近信號(hào)的中心頻率，噪聲越高，相位噪聲就表現(xiàn)為近邊帶的噪聲干擾。而影響發(fā)射機(jī)信號(hào)相位噪聲的因素包括內(nèi)部晶振、時(shí)鐘穩(wěn)定度，變頻本振源，以及鎖相環(huán)的性能等。在接收端，接收機(jī)的本振相位噪聲性能是影響被測(cè)信號(hào)相噪的主要因素，而相位噪聲決定了接收機(jī)分辨近端不等幅信號(hào)的能力。

圖1 振蕩器相位噪聲示意圖

二、什么是抖動(dòng)？

抖動(dòng)(Jitter)又稱時(shí)間抖動(dòng)，是實(shí)際測(cè)量到的信號(hào)在時(shí)域上與理想信號(hào)的偏差。

在理想信號(hào)波形中，信號(hào)周期是固定的，不隨時(shí)間的變化。但在實(shí)際中，由于時(shí)鐘穩(wěn)定度、相鄰信號(hào)通道間的串?dāng)_，信號(hào)通路上的EMI輻射，電源層的噪聲，多個(gè)門電路同時(shí)轉(zhuǎn)換為一種邏輯變化等，這些因素都會(huì)造成信號(hào)周期的抖動(dòng)。除此之外，還包含由較難預(yù)測(cè)的因素導(dǎo)致的時(shí)序變化，稱之為隨機(jī)抖動(dòng)。如溫度，半導(dǎo)體加工的工藝等。

如圖2所示，以1 MHz的脈沖信號(hào)為例，在理想情況下，它的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該是1us，每500ns會(huì)有一個(gè)跳變沿，在實(shí)際測(cè)量中，由于各種因素的存在，信號(hào)周期會(huì)發(fā)生變化，最終造成抖動(dòng)。

圖2 信號(hào)的時(shí)間抖動(dòng)示意圖

三、相位噪聲和時(shí)間抖動(dòng)的轉(zhuǎn)換

如前所述，抖動(dòng)和相位噪聲所描述的是同一現(xiàn)象在時(shí)域和頻域的不同表征形式，因此，如果能從相位噪聲的測(cè)量結(jié)果中導(dǎo)出抖動(dòng)的值將是有意義的。

如表1所示，安立Rubidium MG362x1A信號(hào)發(fā)生器在中心頻率100MHz，在不同頻偏下的相位噪聲情況。

表1 安立MG362x1A信號(hào)發(fā)生器的相位噪聲

如圖3，相位噪聲曲線由多條線段擬合而成，各線段的端點(diǎn)由數(shù)據(jù)點(diǎn)定義。為了獲取RMS抖動(dòng)，首先需要對(duì)曲線區(qū)域內(nèi)的各段曲線進(jìn)行積分得到積分相位噪聲功率，即各段相位噪聲曲線的面積。然后將積分相位噪聲功率轉(zhuǎn)化為RMS相位抖動(dòng)弧度，最終再將相位弧度轉(zhuǎn)化為RMS時(shí)間抖動(dòng)。

圖3 相位噪聲擬合曲線示意圖

其中：

下面就以表1和圖3中數(shù)據(jù)為例，示例如何將相位噪聲轉(zhuǎn)換為時(shí)間抖動(dòng)，具體計(jì)算結(jié)果如下：

圖4 MG362x1A信號(hào)發(fā)生器在中心頻率100MHz處的相位噪聲與抖動(dòng)示意圖

所以，總的時(shí)間抖動(dòng)即各個(gè)時(shí)間抖動(dòng)的方和根，計(jì)算得出：

TOTAL RMS JITTER=46.78fs

即MG362x1A信號(hào)發(fā)生器在中心頻率100MHz下的時(shí)間抖動(dòng)是46.78fs。