鲜为人知的相位噪声特性
Lecture09 相位噪声分析
CMOS 射频集成电路设计2006年11月17日唐长文助理研究员zwtang@/faculty/personweb/tangzhangwen/RFIC/RFIC.htm复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室版权©2005-2006, 版权所有，不得侵犯z相位噪声概述z相位噪声分析理论线性时不变分析非线性时不变分析线性相位时变分析复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文z理想的正弦波频率处的两个脉冲振荡幅度A ，振荡频率，初始相位z实际振荡器振荡波形 振荡幅度和相位都是时间的函数 幅度噪声和相位噪声()()0cos out V t A t ωφ=+()0()()()out V t A t f t t ωφ=+0ωφ0ω±()A t ()t φ复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文射频收发机中的相位噪声z接收通道：干挠信号的混频会恶化信噪比z发射通道强本振信号的干挠开环传递函数()out j G ω⎛⎞=⋅z假设条件：线性时不变负反馈网络z意义和优点解释了加性噪声(闪烁噪声和白噪声)对相位噪声的影响有意义的结论：相位噪声随着频偏成-20dB下降z局限和缺点无法解释单频噪声在载波两侧都会产生噪声的现象存在经验拟合参数复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文处的噪声电压和电流之间关系222ω−2ωz Samori模型阐述了差分对管噪声和尾电流源噪声是如何造成振荡器的相位噪声的ησz但是，噪声因子F(频率折叠因子和)仍然是经验参数z所以，Samori模型也是一种定性的噪声分析模型复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文(LPTV, Linear Phase Time Varying)z线性相位时变复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文z幅度复原机制：非线性特性的作用一旦受到干挠，相位误差将永远保持经过长时间，幅度变化会被非线性消除电压和电流的轨迹图复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文zISF函数表征了波形上每一点对干挠的敏感程度t−∞∫t−∞∫∑[]0cos ()t t ωφ+()t φz Hajimiri模型可以分析器件1/f噪声上变频成为相位噪声的程度与振荡波形对称性的关系z Hajimiri模型可以分析平稳噪声，甚至是周期平稳噪声z Hajimiri模型是一种通用的、精确的、定量分析方法复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文参考文献z博士论文唐长文，“电感电容压控振荡器”，第五章，2004年5月，复旦大学博士论文z杂志文章D.B. Leeson, “A simple model of feedback oscillator noises spectrum,”Proc.IEEE, vol.54, pp.329-330, Feb. 1966.J. Craninckx and M. Steyaert, “Low-noise voltage-controlled oscillators using enhanced LC-tanks,”IEEE Trans. Circuits Syst.-II, vol. 42, pp. 794-904, Dec.1995.B. Razavi, “A study of phase noise in CMOS oscillators,”IEEE J. Solid-StateCircuits, vol. 31, pp. 331-343, Mar. 1996.C. Samori, A.L. Lacaita, F.Villa, and F. Zappa, “Spectrum folding and phasenoise in LC tuned oscillators,”IEEE Trans. Circuits Syst.-II, vol. 45, pp. 781-790, Jul. 1995.A. Hajimiri and T. H. Lee, “A general theory of phase noise in electricaloscillators,”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, pp. 179-194, Feb. 1998.T. H. Lee and A. Hajimiri, “Oscillator phase noise: A tutorial,”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, pp. 326-336, Mar. 2000.复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室唐长文。
信道建模 相位噪声
相位噪声，一般指振荡器产生的信号的相位随机波动的现象。
在通信系统中，信道建模是建立信道数学模型的过程，用于描述信号在通过信道时的传输特性。
而信道的噪声可以看作加性干扰，它独立于信号始终存在，无论有无信号输入，噪声都始终存在。
具体来说，信道的噪声在频谱（频域）上呈均匀分布（即白噪声），而在幅度上（时域）则表现为高斯分布。
同时，接收信号功率Pr和噪声功率谱密度（PSD）的关系决定了信噪比（SNR）。
对于每符号有 k = log_2 (M) 位的未编码 M-ary 信号方案，调制符号的信号能量由特定公式给出，从而可以计算出每符号的信噪比。
在设计过程中，为了对相位噪声的影响进行建模，首先会产生零均值高斯白噪声，然后使噪声通过一个无限冲激响应（IIR）滤波器，再把滤波后的噪声添加到输入信号的角度分量中。
这样做的目的是为了更准确地模拟和预测相位噪声对信号传输的影响。
三维理解ssb相位噪声
三维理解ssb相位噪声
SSB相位噪声是指单边带调制系统中由于信号相位的不稳定性
而引起的噪声。
为了更好地理解SSB相位噪声，我们可以从三维角
度来进行解释。
首先，我们可以从信号处理的角度来理解SSB相位噪声。
在单
边带调制系统中，信号的相位稳定性对系统的性能至关重要。
如果
信号的相位出现偏移或者抖动，将会导致接收端无法正确解调信号，从而影响系统的性能。
SSB相位噪声就是指这种相位不稳定性所引
起的噪声，它会导致接收端信号的失真和误码率的增加。
其次，我们可以从频谱特性的角度来理解SSB相位噪声。
在频
域上，SSB相位噪声会表现为信号频谱的扩展和频率分量的偏移。
这意味着信号的带宽会增加，从而导致系统对频谱资源的利用效率
降低。
此外，频率分量的偏移也会导致信号与其他频率分量的干扰，进一步影响系统的性能。
最后，我们可以从系统设计的角度来理解SSB相位噪声。
在实
际系统设计中，需要采取一系列措施来抑制SSB相位噪声的影响，
例如采用高稳定性的振荡器、引入相位锁定环等技术手段。
同时，
还可以通过信号处理算法对接收到的信号进行相位补偿和校正，以
减小SSB相位噪声对系统性能的影响。
综上所述，从信号处理、频谱特性和系统设计三个角度来理解SSB相位噪声，可以更全面地认识和理解这一概念。
在实际应用中，我们需要综合考虑这些因素，采取合适的措施来降低SSB相位噪声
的影响，从而保证系统的性能和稳定性。
鲜为人知的相位噪声特性
此外，使用傅立叶变换的微分定理，即一个导数的傅立叶变换等于原函数的傅立叶变换乘以i，如下所示：
将上式代入帕斯瓦尔定理，得到v'(t)的功率与i g( )的功率相等，如下式所示：
由于 定义域在fL和fH之间（并且此定义域以外为0），上式变为：
（2）式，
这是一个在fL和fH之间均匀分布的宽带信号经带有抖动t的时钟采样后的SNR。为了检测其是否正确，设fL=fH=fO（所有能量都位于一个单频率fO处），得到的表达式与单频率情况(3)式相同。
另一方面，Sinc函数特性定义为
噪声的幅度由（6）式的倒数给出
也就是说，噪声直接与时钟相位噪声和信号频率成比例。将Sinc函数平方（因为检测的是功率谱密度）并将两者相乘以得到DAC产生的合成噪声传递函数：
正弦函数引起的周期零点特性仍然存在。然而，Sinc函数的分母是产生高频滚降的原因。这一幅度的减弱恰好与（6）式所描述的在高频处增加的相位噪声相抵消。这样一来，DAC产生的相位噪声不会在高频部分增长。
许多现代无线电系统不使用窄带载波。调制后的数据经常占有相当宽的频谱。为了确定这些系统中时钟抖动对SNR的影响，为方便起见假设数据具有零均值，并且平坦的频谱均匀地分布在fL和fH之间（fL < fH），如图2所示。将幅度平方并对带宽积分，可得到总信号功率out。
帕斯瓦尔定理的一种表述方式指出一个信号在时域的能量与该信号在频域的能量相等，也就是，
作者：Paul Smith
_{ }=相位抖动有效值，单位为秒(s)
_{clk}=时钟频率，单位为弧度/秒(rad/s)
也就是说，对于一个给定的时钟抖动误差，信号频率越高则相位误差越大。_{ }项是时钟的总积分相位噪声，并通过下式定义时钟SNR：
相位噪声 相干长度 -回复
相位噪声相干长度-回复相位噪声相干长度–从基本概念到应用的全面解析引言在电子和通信领域中，相位噪声和相干长度是两个重要的参数。
相位噪声是衡量信号在频率和相位上的稳定性的指标，而相干长度则是衡量信号的时空相关性。
本文将一步一步解析相位噪声和相干长度的基本概念、特性以及在实际应用中的重要性。
第一部分：相位噪声的基本概念和特性1. 相位噪声的定义相位噪声是指信号相位的不稳定性，它会导致频谱变宽或具有额外的相位变化。
相位噪声在时域上表现为信号的随机相位变化，但在频域上则表现为频谱的扩展。
2. 相位噪声的来源相位噪声的来源非常广泛，包括噪声源和电路元件的非线性特性。
噪声源可能来自于电子元件中的热噪声、量子噪声以及振荡器的频率漂移。
同时，非线性元件也会产生额外的谐波和互调，进一步引入相位噪声。
3. 相位噪声的度量单位相位噪声通常使用分贝（dBc/Hz）作为单位。
该单位表示信号对于载波功率的相对功率水平，即相位噪声功率与载波功率的比值。
相较于直接给出功率的单位（dBm），相对值更能体现相位噪声的性能。
4. 相位噪声与频率偏移的关系相位噪声与频率偏移之间存在着密切的关系。
频率偏移是指振荡器的输出频率与理想的参考频率之间的差异。
相位噪声可导致频率偏移，即信号频率的随机变化，进而影响系统的性能。
第二部分：相干长度的基本概念和特性1. 相干长度的定义相干长度是指信号在时域上的相关性。
它衡量的是信号在时间上保持自相似性的能力。
相干长度可以通过信号的自相关函数得到，它反映了信号在时间上的相关性。
2. 相干长度和信号频谱的关系相干长度与信号的频谱特性直接相关。
如果信号的频谱较宽，那么信号的相关性会逐渐减弱，相干长度会相应缩短。
反之，如果信号的频谱较窄，信号在时间上的相关性相对较好，相干长度会相应增加。
3. 相干长度和决定信号传输速率的关系相干长度在光通信等领域中具有重要的意义。
相干长度决定了信号传输速率。
当信号的传输速率超过相干长度时，信号会出现串扰现象，导致传输质量下降。
相位噪声和抖动的概念及其估算方法
相位噪声和抖动的概念及其估算方法相位噪声是指信号相位的随机变化，包括相位偏移和频率变化。
它可以由信号在频率上扩展的能量来描述。
相位噪声对于许多系统来说是非常严重的问题，因为它会导致信号失真，限制系统的精度和性能。
相位噪声可以通过将信号与参考信号进行比较来测量，通常使用频谱分析法来估算。
抖动是指信号周期性的时移变化，通常是由于时钟信号的不稳定性引起的。
抖动可以看作是相位噪声的一种特殊形式，但它更关注短期和周期性的时间偏移。
抖动可以通过测量信号上相邻周期的时间差来估算。
1.频谱分析法：这是最常用的相位噪声估算方法。
通过将信号与参考信号进行频谱分析，可以得到相位噪声的频谱密度。
频谱密度描述了信号在不同频率上的相位随机变化程度，从而提供了相位噪声的估计。
2.相位瞬时法：相位瞬时法通过观察信号上相邻采样点之间的相位差异来估算相位噪声。
它可以通过计算信号的瞬时相位和瞬时频率来获得。
3.时隙法：时隙法是一种抖动估算方法，通过测量信号在不同时钟周期上的时间差异来估计抖动。
它可以使用高精度的时钟信号对待测信号进行采样，然后利用时隙间的时间差来计算抖动。
4.皮亚诺法：皮亚诺法是一种抖动估算方法，通过测量信号在一段时间内的累积相位偏移来估计抖动。
它利用计时器和参考时钟来测量信号的周期和时钟周期之间的偏移，从而计算抖动。
以上方法只是相位噪声和抖动的估算方法中的一部分，根据不同的应用和实际需求，还可以使用其他方法来进行估算。
在实际应用中，为了获得准确的估算结果，通常需要考虑到噪声的频率范围、采样率和信号特性等因素，选择合适的估算方法和参数。
相位噪声和抖动的估算是一个相对复杂的问题，在实际应用中需要结合具体情况进行综合考虑和分析。
相位噪声编辑本段概述相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同
相位噪声[编辑本段]概述相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。
在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。
但不幸的是，这种信号并不存在。
如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。
这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。
相位噪声是频率域的概念。
相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。
用一个振荡器信号来解释相位噪声。
如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。
但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。
从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。
相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。
一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。
相位噪声产生的原因信号源热噪声,内部损耗电阻热噪声,混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声,具体是温度过热关系。
相位噪声的定义定义1：相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标源自: 有线数字电视传输特性与故障解析《中国有线电视》2005年赵雨境,王恒江定义2：相位噪声是指光的正弦振荡不稳定,时而出现某处相位的随机跳变.相位噪声导致光源线宽变宽.光强度噪声是指因自发辐射光强的随机变化和外界温度的变化,导致发射光强的起伏源自: Fabry-Perot干涉式光纤温度传... 《传感器技术》2001年曹满婷来源文章摘要：分析了温度对相位的调制作用以及Fabry-Perot干涉结构检测相位变化的原理,提出了一种具有高灵敏度和高分辨率的相位调制型全光纤结构,并进行了系统的噪声分析。
相位噪声 时域 频域-概述说明以及解释
相位噪声时域频域-概述说明以及解释1.引言1.1 概述相位噪声是一种在信号处理和通信系统中广泛存在的噪声形式，它对系统性能和数据传输具有重要影响。
相位噪声源于信号的相位变化，可能导致频谱中的频率偏移或相位偏移。
因此，研究和理解相位噪声的特性、分析方法和应用是非常重要的。
在现代通信系统中，相位噪声是一个关键的技术指标，特别是在高速数据传输和无线通信等领域。
它在天线设计、频谱规划、调制解调、时钟同步和误码率性能等方面起着关键作用。
相位噪声的特性主要包括其频谱分布和功率密度谱。
频谱分布通常用功率谱密度表示，它描述了信号在不同频率上的能量分布。
相位噪声的功率密度谱通常呈现出随频率增加而增大的趋势。
此外，相位噪声还具有相位不稳定性和频率稳定性两个方面的特性。
相位不稳定性描述了相位随时间变化的程度，而频率稳定性描述了信号频率的稳定性。
时域分析和频域分析是用来研究相位噪声的重要工具。
时域分析主要关注信号在时间域上的波形和变化特性。
常见的时域分析方法包括自相关函数、互相关函数、统计量分析等。
而频域分析则研究信号在频域上的频谱分布和频率成分。
常见的频域分析方法包括傅里叶变换、功率谱密度估计等。
本文将重点探讨相位噪声的定义、特性以及其对系统性能的影响。
同时介绍时域分析和频域分析的基本原理、方法和工具，并讨论它们在相位噪声研究中的应用。
最后，总结相位噪声对系统的重要性，评价时域和频域分析的综合价值，并展望未来在相位噪声研究方面的发展方向。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式编写：1.2 文章结构本文将按照以下结构来进行论述相位噪声、时域分析和频域分析的相关内容：2. 正文2.1 相位噪声2.1.1 定义和背景2.1.2 相位噪声的特性2.1.3 相位噪声的影响2.2 时域分析2.2.1 时域分析的基本原理2.2.2 时域分析的方法和工具2.2.3 时域分析的应用2.3 频域分析2.3.1 频域分析的基本原理2.3.2 频域分析的方法和工具2.3.3 频域分析的应用3. 结论3.1 总结相位噪声的重要性3.2 对时域和频域分析的综合评价3.3 展望未来的研究方向通过以上的结构安排，本文将首先从引言部分概述相位噪声的背景和目的，然后展开正文内容，分别介绍相位噪声的定义和特性，以及时域和频域分析的基本原理、方法、工具和应用。
PLL之相位噪声
1.4 锁相环系统的相位噪声分析
噪声和干扰具有随机性，具体分析计算极其困难。虽然我们可借助像 AGINENT 的 ADS 等仿真软件和 MATHCAD 等大型计算软件进行分析，但我们 都必须借助 PLL 的线性相位模型开始研究（图 1－1） 。其中 F(s)为环路滤波器的 传递函数； K Φ 和 K VCO 分别为鉴相器的鉴相灵敏度和压控振荡器的压控灵敏度。
allan方差估值的置信度问题电子学报19835p110本论文获电子工业部1985年度优秀科技成果二等奖唐素彭毅张有正广义阿仑方差及修正阿仑方差电子学报19871p9197黄炜刘亚康张有正频率源功率谱估计偏差分析电子学报19873p7177张有正周正中分频器新增相位杂散合新增相位噪声的分析成都电讯工程学院学报19822p110以上内容来自彭启琮教授的学术报告
的研究中，y(t)是使用得最为广泛的量。以下的有关讨论，无论是在频域 还是时域，往往针对 y(t)提出频率稳定度的表征，至今还没有被一致接 受的定义。 IEEE 时间与频率委员会推荐的谱密度 Sy(f)以及 Allan 方差σ y2(τ)，在实践中得到广泛的应用。 谱密度和 Allan 方差，所定义的实际上是频率源频率的不稳定 度，但习惯上还是称为稳定度。 实验表明，频率源的相位噪声，可以用以下的数学模型来描述：
第一章 PLL 之相位噪声
x(t)=φ(t)/2πυ0 上式的量纲为秒，有些文献称为相位时间（phase-time） 。 两个钟之间的时间差，就可以用 x(t)来表示。 4 即时相对频率抖动 y(t)
y(t) =
1 dϕ (t) dx(t) = 2πν 0 dt dt
y(t)是υ(t)的归一化值，没有量纲。在频率稳定度（相位噪声）
第一章 PLL 之相位噪声
相位噪声定义
相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。
在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。
但不幸的是，这种信号并不存在。
如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。
这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。
相位噪声是频率域的概念。
相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。
用一个振荡器信号来解释相位噪声。
如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。
但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。
从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。
相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。
一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。
相位噪声产生的原因信号源热噪声,内部损耗电阻热噪声,混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声,具体是温度过热关系。
相位噪声的定义定义1：相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标相位噪声是用来衡量载波的频谱弥散性的。
实际的载频不可能是一根谱线，而是以中心频率为最高两侧依次下降的频谱形状。
dBc是一种相对表示值。
中心频率功率值—— x dBm离中心频率1kHz 处的功率密度—— y dBm/HzdBc= x/y不用考虑什么量纲，就是单位赫兹的意思。
相位噪声就是短期频率稳定度，一个物理现象的两种表示方法，相位噪声为频域表示，短期频率稳定度为时域表示。
相位噪声一般是指在系统内各种噪声作用下所引起的输出信号相位随机起伏。
相位的随机起伏必然引起频率随机起伏，这种起伏速度较快，所以又称之为短期频率稳定度，用单边带，1Hz带宽内的相位噪声功率谱密度£(ƒm)表示。
关于相位噪声分析
关于相位噪声的分析大家都知道，相位噪声是频率域的概念，这里我们就先讲一下时域分析和频域分析：频域是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系。
对任何一个事物的描述都需要从多个方面进行，每一方面的描述仅为我们认识这个事物提供部分的信息。
对于一个信号来说，它也有很多方面的特性，如信号强度随时间的变化规律（时域特性），信号是由哪些单一频率的信号合成的（频域特性）。
时域分析与频域分析是对模拟信号的两个观察面。
时域分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系；频域分析是把信号变为以频率轴为坐标表示出来。
一般来说，时域的表示较为形象与直观，频域分析则更为简练，剖析问题更为深刻和方便。
目前，信号分析的趋势是从时域向频域发展。
然而，它们是互相联系，缺一不可，相辅相成的。
抖动测量一直被称为示波器测试测量的最高境界。
传统最直观的抖动测量方法是利用余辉来查看波形的变化。
后来演变为高等数学概率统计上的艰深问题，抖动测量结果准还是不准的问题就于是变得更加复杂。
时钟的特性可以用频率计测量频率的稳定度，用频谱仪测量相噪，用示波器测量TIE抖动、周期抖动、cycle-cycle抖动。
关于相位噪声分析仪的更多信息请和小安联系，QQ894 959 252；联系电话： 189 **** ****但是更深层次的时域测量方法和频域测量方法的原理， TIE抖动和相噪抖动之间关系的推导推导，我们在网上搜集为大家提供一篇高人提供的文档，希望对仍然纠结在这些问题迷雾中的朋友们有所启发：抖动是衡量时钟性能的重要指标，抖动一般定义为信号在某特定时刻相对于其理想位置的短期偏移。
这个短期偏移在时域的表现形式为抖动(这里的抖动专指时域抖动)，在频域的表现形式为相噪。
本文主要探讨下时钟抖动和相噪以及其测量方法，以及两者之间的关系。
1、抖动介绍抖动是对时域信号的测量结果，反映了信号边沿相对其理想位置偏离了多少。
抖动有两种主要成分：确定性抖动和随机抖动。
确定性抖动是可以重复和预测的，其峰峰值是有界的，通常意义上的DJ是指其pk-pk值;随机抖动是不能预测的定时噪声，分析时一般使用高斯分布来近似表征，理论上可以偏离中间值无限大，所以随机抖动是没有峰到峰边界的，通常意义上的RJ指标是指其RMS 值，可以根据其RMS值推算其在一定误码率时的值。
相位噪声单位
相位噪声单位相位噪声是指信号的相位在时间上的随机波动或扰动。
相位噪声是一种常见的信号失真形式，它会导致信号的相位偏移或抖动，从而影响信号的准确性和稳定性。
在许多应用领域，如通信、雷达、无线电技术和精密测量中，相位噪声的控制至关重要。
相位噪声通常以单位为弧度/平方根赫兹（rad/√Hz）或弧度/赫兹（rad/Hz）来表示。
弧度/平方根赫兹是一种广义的单位，用于描述信号在不同频率范围内的噪声功率谱密度。
它表示单位频带内相位噪声功率的平方根。
弧度/赫兹则是在某个特定频率范围内的相位噪声功率谱密度。
在很多通信系统中，相位噪声的控制是至关重要的，尤其是对于高速数字通信和宽带无线通信系统。
相位噪声对于调制解调过程中的敏感度非常高，因此需要采取一些技术手段来限制和控制相位噪声的影响。
在相位噪声的研究中，有一些相关的参考内容可以帮助我们更好地理解和控制相位噪声。
以下是一些常见的参考内容：1. 相位噪声功率谱密度：描述信号在不同频率范围内的相位噪声水平。
相位噪声功率谱密度通常以单位为弧度/平方根赫兹（rad/√Hz）来表示。
该参数可以帮助我们了解相位噪声的频率分布特性。
2. 相位噪声的来源：相位噪声可以由各种原因引起，例如本地振荡器的不稳定性、信号传输过程中的噪声和干扰等。
了解相位噪声的来源可以帮助我们采取相应的措施来减少或控制相位噪声。
3. 环路滤波器设计：环路滤波器是一种常见的控制相位噪声的技术手段。
它通过对信号进行滤波和放大来降低相位噪声的影响。
环路滤波器的设计和参数选择对于相位噪声的控制非常重要。
4. 相位锁定环：相位锁定环是一种常见的用于相位噪声抑制和信号恢复的技术。
相位锁定环通过比较输入信号的相位和参考信号的相位差异，并通过反馈控制的方式来调整输入信号的相位，从而减小相位噪声的影响。
5. 频率合成器设计：频率合成器是一种常见的用于生成特定频率信号的设备。
在频率合成器的设计中，需要考虑相位噪声对合成信号的影响，并采取相应的措施来减少相位噪声。
超高频信号发生器的相位噪声分析与优化技术研究
超高频信号发生器的相位噪声分析与优化技术研究摘要：随着无线通信技术的快速发展，超高频（UHF）信号发生器在通信、测量以及科研领域中扮演着重要的角色。
然而，相位噪声是影响信号发生器性能的关键指标之一。
本文将深入研究超高频信号发生器的相位噪声特性，并提出相位噪声分析与优化技术，以改善信号发生器的性能。
1. 引言随着通信系统的发展，对更高频率、更高精度的信号源需求不断增加。
超高频信号发生器是满足这一需求的重要设备之一。
然而，相位噪声的存在会对信号质量和通信系统性能产生负面影响。
因此，深入研究相位噪声分析与优化技术对提升超高频信号发生器性能具有重要意义。
2. 相位噪声的概念和特性相位噪声是指信号发生器输出信号的频率和相位之间的波动。
它通常用相位噪声谱密度（PSD）来表示，单位为dBc/Hz。
相位噪声谱密度（L(f)）描述了在各个频率上的相位噪声功率。
相位噪声可分为低频区（1 Hz以下）和高频区（1 Hz以上）。
在超高频信号发生器中，相位噪声是由多个因素产生的，包括振荡器噪声、放大器噪声和时钟抖动等。
这些因素对信号发生器的相位噪声特性产生影响，需要进行综合考虑。
3. 相位噪声分析方法为了准确分析超高频信号发生器的相位噪声，可以采用以下方法：(1) 噪声功率谱密度测量法：通过测量信号发生器输出信号的功率谱密度，可以得到相位噪声谱密度。
(2) 频域分析法：将信号发生器输出信号与参考信号进行频域分析，可以得到相位噪声的频率特性。
(3) 相位噪声测试系统：利用相位噪声测试系统对信号发生器进行全面测试，得到相位噪声参数。
4. 相位噪声优化技术为了优化超高频信号发生器的相位噪声性能，可以采取以下技术：(1) 振荡器设计优化：选择合适的振荡器结构和器件参数，降低振荡器本身的噪声贡献。
(2) 噪声抑制技术：使用滤波器、降噪电路等技术手段，有效抑制功放等放大器引入的噪声。
(3) 时钟抖动抑制技术：提高时钟源的稳定性，并采用合适的时钟抖动抑制技术，减小时钟抖动引起的相位噪声。
相位噪声概述
概述相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。
在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。
但不幸的是，这种信号并不存在。
如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。
这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。
相位噪声是频率域的概念。
相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。
用一个振荡器信号来解释相位噪声。
如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。
但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。
从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。
相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc 是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。
一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。
编辑本段定义定义1：相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标源自: 有线数字电视传输特性与故障解析《中国有线电视》 2005年赵雨境,王恒江定义2：相位噪声是指光的正弦振荡不稳定,时而出现某处相位的随机跳变.相位噪声导致光源线宽变宽.光强度噪声是指因自发辐射光强的随机变化和外界温度的变化,导致发射光强的起伏源自: Fabry-Perot干涉式光纤温度传... 《传感器技术》 2001年曹满婷来源文章摘要：分析了温度对相位的调制作用以及Fabry -Perot干涉结构检测相位变化的原理 ,提出了一种具有高灵敏度和高分辨率的相位调制型全光纤结构 ,并进行了系统的噪声分析。
定义3：是一随机量通常把信号的相似随机起伏中（t）称为相位噪声.（t）随时间变化的随机过程是一平稳的随机过程并使随机量的概率密度分布符合正态分布源自: 受多项噪声影响的二级方差估值的置信度《四川教育学院学报》1997年林时昌来源文章摘要：有限次（ｍ次）采样测量的二级方差估值（，ｍ）随机地偏离其真值＜）。
电放大器相位噪声
放大器噪声对相位噪声的影响
• 测试实验：
放大器噪声对相位噪声的影响
• 测试结果曲线：
放大器相位噪声曲线
放大器噪声对相位噪声的影响
• 测试结果分析： 如图曲线B所示，因为44dB和6dB衰减器是无源的，认为它 不引入相位噪声，而S1的相噪性能大大优于放大器。曲 线A和B的相位噪声分别为：
(100kHz) 135dBc / Hz, (100kHz ) 170dBc / Hz
• 如图：热噪声产生的等效电路
• 代入上式可以得到：
L( f )rad
2 KTR 4V0 2
噪声系数和相位噪声的测量比较
• This is the wideband PM noise floor of an amplifier.
• 测量系统：双通道互相关技术
L( f ) 177 F Ps (dBc / Hz)
放大器噪声对相位噪声的影响及公式推导
• 噪声一般包括热噪声和闪烁噪声。 • 噪声系数表示为：
• 放大器输出端信号和噪声有效值电压分别为： VNrms RFGKTB VSrms RPG s
Si / N i F (dB) 10 log S0 / N 0
• F为放大器噪声系数; G为放大器增益; Ps 为输入端信号功 率; 输出端噪声功率为Nout= FGkTB; k为玻耳兹曼常数; T 为温度,以K为单位; B为带宽。
FKTB Ps
噪声系数和相位噪声的测量比较
• 论文信息
• NIST：美国国家标准技术研究所
噪声系数和相位噪声的测量比较
• （1）比较 相位噪声（PN）和噪声系数（NF）哪一个更 能描述放大器的具体特征 • （2）放大器的热相位噪声底是-177dBc/Hz（输入载波功 率为0dBm） • NF：测量的远离载频处的宽带噪声，是在没有信号或固 定输入下测量得的噪声，没有考虑近载频的闪烁噪声。 • 实验表明：输入信号增加时由于非线性交调失真，宽带噪 声增加1-5dB，由此得到的NF相比于0输入信号。
相位噪声的产生原因和影响
相位噪声的产生原因和影响相位噪声（Phase Noise）是指信号频率中相位差的随机变化引起的频率不稳定性。
它主要由以下几个因素引起：1.器件非线性：电子器件在非线性工作状态下，会引起频率混叠，导致相位噪声的增加。
例如，放大器的工作点偏差、非线性传感器、杂散回路等都会引起相位噪声。
2.温度变化：温度的变化会导致电子器件参数的变化，进而引起相位噪声的产生。
例如，晶体振荡器（OCXO）受温度影响较大，温度变化会导致晶体振荡器的共振频率发生变化，进而引起相位噪声。
3.时钟漂移：时钟信号的漂移会引起相位噪声的产生。
时钟漂移是指时钟信号的频率不稳定性，例如，由于时基器件的稳定性差，时钟信号可能会因为温度变化、器件老化等原因，导致频率漂移，进而引起相位噪声。
相位噪声对通信系统和雷达系统等有着很大的影响：1.信号质量下降：相位噪声会引起信号频率的随机变化，导致频谱扩展，从而使得信号质量下降。
在通信系统中，相位噪声会导致信号幅度和相位的抖动，从而降低信号的传输性能。
2.谱勾股耦合：相位噪声会引起信号谱的不规则变化，导致信号谱出现峰谷不平等现象，即谱勾股耦合。
这种谱勾股耦合会导致接收机对周围环境中其他信号的干扰增大，降低系统的抗干扰能力。
3.符号定时误差：相位噪声会引起符号定时误差，即接收机判断数据位的时间点出现错误。
这会导致误比特率的增加，从而降低系统的传输可靠性。
4.频率漂移：相位噪声会引起本振频率的随机漂移，导致频率与接收机中本地振荡器不匹配，使得解调和解调过程中的频率合成出错，从而导致错误率的增加。
为了减小相位噪声对系统的影响1.优化器件设计：在器件设计中，应尽量减小器件的非线性和温度漂移，以降低相位噪声的产生。
2.增加反馈环路：通过增加反馈环路，可以在一定程度上抑制相位噪声的增长。
例如，在放大器中引入负反馈，可以降低相位噪声的影响。
3.使用稳定的时基器件：选择稳定性好的时基器件，例如，使用高品质的晶体振荡器（OCXO）作为时钟源，可以降低相位噪声的影响。
相位噪声和Jitter概念
相位噪声和抖动jitter的概念及估算方法时钟频率的不断提高使和在系统时序上占据日益重要的位置。
本文介其概念及其对系统性能的影响，并在电路板级、芯片级和单元模块级分别提供了减小相位噪声和抖动的有效方法。
随着通信系统中的时钟速度迈入GHz级，相位噪声和抖动这两个在模拟设计中十分关键的因素，也开始在数字芯片和电路板的性能中占据日益重要的位置。
在高速系统中，时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率，不仅如此，它还会增大通信链路的误码率，甚至限制A/D转换器的动态范围。
在此趋势下，高速数字设备的设计师们也开始更多地关注时序因素。
本文向数字设计师们介绍了相位噪声和抖动的基本概念，分析了它们对系统性能的影响，并给出了能够将相位抖动和噪声降至最低的常用电路技术。
什么是相位噪声和抖动？相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。
在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。
但不幸的是，这种信号并不存在。
如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。
这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。
抖动是一个时域概念抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。
通常，10 MHz以下信号的周期变动并不归入抖动一类，而是归入偏移或者漂移。
抖动有两种主要类型：确定性抖动和随机性抖动。
确定性抖动是由可识别的干扰信号造成的，这种抖动通常幅度有限，具备特定的（而非随机的）产生原因，而且不能进行统计分析。
造成确定性抖动的来源主要有4种：1. 相邻信号走线之间的串扰：当一根导线的自感增大后，会将其相邻信号线周围的感应磁场转化为感应电流，而感应电流会使电压增大或减小，从而造成抖动。
2. 敏感信号通路上的EMI辐射：电源、AC电源线和RF信号源都属于EMI源。
与串扰类似，当附近存在EMI辐射时，时序信号通路上感应到的噪声电流会调制时序信号的电压值。
相位噪声——精选推荐
相位噪声相位噪声2010-11-11 08：25相位噪声(Phase noise)一般是指在系统内各种噪声作用下引起的输出信号相位的随机起伏。
通常相位噪声又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。
所谓频率短期稳定度,是指由随机噪声引起的相位起伏或频率起伏。
至于因为温度、老化等引起的频率慢漂移，则称之为频率长期稳定度。
通常我们主要考虑的是频率短期稳定度问题，可以认为相位噪声就是频率短期稳定度。
随着通信系统中的时钟速度迈入GHz级，相位噪声和抖动这两个在模拟设计中十分关键的因素，也开始在数字芯片和电路板的性能中占据日益重要的位置。
在高速系统中，时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率，不仅如此，它还会增大通信链路的误码率，甚至限制A/D转换器的动态范围。
相位噪声是衡量频率标准源(高稳晶振、原子频标等)频稳质量的重要指标，随着频标源性能的不断改善，相应噪声量值越来越小，因而对相位噪声谱的测量要求也越来越高。
现代电子系统和设备都离不开相位噪声测试的要求，因为本振相位噪声影响着调频、调相系统的最终信噪比，恶化某些调幅检波器的性能；限制频移键控(FSK)和相移键控(PSK)的最小误码率；影响频分多址接收系统的最大噪声功率等。
在很多高级电子系统和设备中，核心技术中往往有一个低相位噪声频率源。
可见对相位噪声进行表征、测试以及如何减小相位噪声是现代电子系统中一个回避不了的问题。
什么是相位噪声和抖动相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。
在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。
但不幸的是，这种信号并不存在。
信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。
这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。
抖动是一个时域概念抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。
通常，10 MHz以下信号的周期变动并不归入抖动一类，而是归入偏移或者漂移。
VCO相位噪声
• 常以单边带噪声谱密度来描述信号短期不 稳定性 • 上述定义包含了相位与幅度噪声
• 由于器件的非线性，幅度噪声通常被一致， 所以相位噪声是主要噪声
Leeson模型
• 容易推导：
• 当Leeson在4kTGL上乘以F来表征所有噪声
这个1/2表示噪声相位电压为总噪声功率的一半， 且这里只考虑相位噪声。 上式描述了1/f2噪声
对于线性系统，其脉冲响应可以表征系统 性质
a点注入只影响相位，b点注入只影响幅度
其余点两者都影响。
可见：过量相位对噪声输入是线性的，即使电路是非线性的 当然这个线性对噪声输入也有个限制，这里以qmax表征
A General Theory of Phase Noise in Electrical Oscillators
Ali Hajimiri and Thomas H. Lee
• • • • • •
所有振荡器都是周期时变的 电路噪声包含：device noise和interference device noise：Thermal，shot，flicker Interference：substrate，supply noise 理想sinusoidal oscillator： 实际： A，f时变，且f以2phi 为周期
相位噪声测量
相位噪声及其测试技术罗达 29071050130.引言调相系统的最终信噪比，会恶化某些调幅检波器的性能，限制FSK和PSK 的最小误码率，影响频分多址接收系统的最大噪声功率。
对相位噪声进行表征、测试以及如何减小相位噪声是电子系统中一个回避不了的问题。
本文较详细的阐述了相位噪声的概念及其测试。
1.相位噪声的概念及其表征1.1 相位噪声的概念相位噪声是指信号源中，输出频率的短期稳定性指标。
由于相位噪声的存在，引起载波频谱的扩展。
在实际应用，所有信号源的输出都存在着幅度、频率或相位的起伏，这些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪声。
1.2 相位噪声的来源信号源中的杂散分量一般是由电源纹波、机械振动或系统内部鉴相信号的泄漏或其它电路的信号窜扰，具有一定的规律性。
另外一种呈随机分布的相位噪声通常是由振荡器本身内各器件所产生的各种随机噪声引起的。
1.3 单边带相位噪声的定义信号源中，由于相位噪声的存在，在频域中，输出信号的谱线相位调制边带的功率P SSB与总功率P S之比，即L(f m)= P SSB/P S=功率密度（一个相位调制边带1Hz）/总的载波功率L(f m)通常用相对于载波1Hz 带宽的对数来表示，单位为dBc/H为了得到L(f m)与随机的或正弦相位调制的一般关系，首先研究正弦相位调制信号，然后再研究随机相位调制信号。
1.3.1 正弦相位调制信号令正弦相位调制信号的瞬时相位为θ(t)=θm sin2πf m t于是得到相位调制信号为V(t)=V0cos(2πf0t+θm sin2πf m t) (1)假定θm<<1rad，式(1)可以简化成V(t)=V0cos2πf0t+(θm/2)V0cos2π(f0+f m)t=(θm/2)V0cos2π(f0-f m)t上式中，第一项为载波信号，后两项为噪声边带分量，称为相位噪声。
这样，一个噪声边带信号的幅度与载波信号幅度之比为V SSB/V S=V0J1(θm)/V0J0(θm)=J1(θm)/J0(θm)=θm/2如果用功率表示，可得到P SSB/P S=(0.25θm*θm=0.25θRMS*θRMS)，式中的θRMS为调相指数的有效值。
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图5a.
图6.
可以清楚地看出DAC输出固有的Sinc函数。
但是时钟杂散
频率发生了什么变化？这可以在每一个输出图形中清楚地
看出，只是其幅度不像在ADC中那样增加。
相对于满量
程，杂散成分的幅度保持不变。
可以从几个方面来解释这一点。
从dBc角度观看时，随着
信号频率增大，调制杂散按照公式7b所述的方式变坏。
函数同时作用于信号幅度和产生的时钟相位噪声。
计
算与每个载波相关的杂散幅度(以dBc表示)，公式7b表述得
另一方面，Sinc函数特性定义为：
图5b.
噪声的幅度由公式7a的倒数给出：
图5c.。