使用实时采样示波器测量相位噪声——第一部分

什么是相位噪声？

维基百科对相位噪声的定义是："波形相位在频域中的快速、短期、随机波动，由时域的不稳定（抖动）引起。"噪声一词的定义说明该术语不涉及任何杂散项或确定项。上面定义中的"短期"旨在将该定义与其他确定时钟源纯净度的方式相区别，例如每百万稳定点，即 ppm。后者通常在较长的一段时间测得，例如数秒或数分钟。

相位噪声通常以对数频率图表示，例如下图（图 1），图中幅度单位为 dBc/Hz（分贝与 1 Hz 带宽载波功率的比值）。x 轴表示相对于标称信号或"载波"频率的频率偏移。

图 1

为什么使用示波器？

在说明如何使用示波器测量相位噪声之前，最好先了解一下为什么使用实时示波器。现在已经有了专门测量相位噪声的仪器，例如 Keysight E5052B 信号源分析仪（SSA），它拥有比任何示波器都低的相位噪声测量本底噪声。SSA 能够执行准确测量，更接近相位噪声偏移值，测量速度也比任何示波器都快。但是该仪器也有一些测量限制，例如对最大频率偏移范围有所要求。相位噪声分析仪的典型最大偏移为 100MHz。对大于 100 MHz 的时钟频率，有时也要测量更高的频率偏移，但这超出了此类仪器的测量范围。但示波器可以测量传递到数据信号上的相位噪声，而不仅仅测量时钟。

示波器使用简单如果也足以满足测量要求，当预算不足以购买专用的相位噪声测量设备时更是上佳选择。

相位提取

示波器可以捕捉整个信号波形并对其进行数字化，有多种方法可以从数字化波形中提取相位噪声信息。本文将简要介绍两种方法：

1.时钟恢复

2.通过矢量信号分析软件执行相位解调

通过串行数据时钟恢复执行相位解调

示波器分析信号是否达到设定的电压阈值，并将其与参考时钟边沿对比，从而测量串行数据或时钟信号的时序变化（抖动）。对于相位噪声，我们希望参考时钟为理想的固定频率时钟。大部分现代示波器都具有时钟恢复算法，可以从信号中提取时钟。在许多情况下，我们希望通过算法实现锁相环（PLL）仿真，但在这里，我们只需要提取一个固定周期的理想时钟，因此我们不会像 PLL 那样"追查出"任何相位变化。建立时钟恢复的示例如下图。（图 2）算法可设置为根据每次采样结果调整标称信号频率和相位。

图 2

示波器对时间间隔误差（TIE）的测量能为每一个边沿相对理想时钟建立时序绝对时间误差。要转换至相位（弧度）误差我们只需要乘以2*pi*fc 即可，式中fc 为时钟载波频率。

φrad=2*π*TIEt*fc

时间间隔误差趋势可以通过 FFT 转换为频率空间，称为抖动频谱。大部分现代示波器均内置有此功能，或可通过选件实现此功能（图 3）。

图 3

如需获取测得的相位谱密度清晰视图，需要对多次采样得到的抖动功率频谱进行平均化处理。

通过抖动频谱法得到的最大频率偏移值（fj_max）等于载波频率（当 TIE 包括上升和下降边沿时）。

最小频率偏移值（fj_min）在理论上由 TIE 采样的时间长度决定。即：采样得到的频率分量一定大于 TIE 第一个边沿与最后一个边沿之间时间的倒数。

#Pts=SaRatefφ_min

在这里通过实时采样示波器测量相位噪声存在困难。必须保持足够高的采样率才能准确测量到时间边沿，但为了得到低频率内容，必须使用非常大的采样存储器深度采集更长时间。

实例：

SaRate = 80 GSa/s

fj_min = 100Hz

所需存储深度= 800 MPts

每次采样都要通过时钟恢复、傅里叶变换建立抖动频谱的方式进行处理，找出边沿，然后对多次采样进行平均化。示波器必须具备深存储器，能够快速进行处理的能力。

现在我们了解了相位噪声测量的基础知识，但我们还是希望得到以 dBc/Hz 为单位的结果，因为这是此类测量的惯例。大部分相位噪声图都有对数频率刻度，可以更好地显示相近相位噪声偏移。

作为示例，我们以秒而不是弧度为单位建立 TIE 测量，然后将单位转换为 dBc，方法如下：

相位噪声 dBc= 20*log102*π*fc*jsrms(fφ)

但是请注意上面的相位噪声含有载波两边的能量。人们通常考虑的是单边带（SSB）相位噪声，即载波频谱单边带上的噪声，用符号 L 表示。因此我们必须将上面的相位噪声除以 2，因为 L(fj) = 0.5*Sφ(fj)，还要除以抖动频谱解析带宽的平方根，以便将带宽标准化为 1 Hz。

因此：

L(fφ) dBc/Hzpk= 20*log10π*fc*jsrms(fφ)rbw

此类测量和转换的示例如下。（图 4）这里使用 Keysight Infiniium DSAV334A 示波器和一款名为 Infiniium 相位噪声的软件对高纯度 100MHz正弦波进行测量。不但