一、相位與相位噪聲

相位（Phase）：交流信號(hào)表達(dá)式A*sin(2πft + φ) 中的 φ為相位，描述的是“波形在時(shí)間軸上的位置”，它是一個(gè)瞬時(shí)量，單位是弧度（rad）。

圖1 正弦信號(hào)的相位

在實(shí)際系統(tǒng)中，由于噪聲的影響，信號(hào)的相位會(huì)發(fā)生隨機(jī)變化，導(dǎo)致波形出現(xiàn)畸變。這種相位的隨機(jī)變化在時(shí)域稱之為“抖動(dòng)”在頻域稱之為“相位噪聲”，它會(huì)使信號(hào)的頻譜展寬，影響信號(hào)的傳輸和處理，一句話區(qū)分相位與相位噪聲：相位是“靜態(tài)位置”，相位噪聲是“位置的隨機(jī)晃動(dòng)”。

圖2 理想與真實(shí)世界的信號(hào)在頻域與時(shí)域表現(xiàn)形式

相位噪聲（Phase Noise）：描述的是φ隨時(shí)間發(fā)生“快速、短期、隨機(jī)”的微小抖動(dòng)，在頻域表現(xiàn)為載波頻譜的連續(xù)噪聲邊帶。在量化相位噪聲的眾多技術(shù)指標(biāo)中，最常用的測(cè)量指標(biāo)是“單邊帶(SSB) 相位噪聲”。

從數(shù)學(xué)角度來(lái)講，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)將其定義為“偏離載波頻率處單位帶寬內(nèi)的單邊帶信號(hào)功率與載波信號(hào)總功率的比值”，由此我們可以總結(jié)出單邊帶相位噪聲的三要素：頻偏、單位HZ以及相對(duì)于載波。

圖3 相位噪聲

圖4 SMB100B射頻信號(hào)源不同中心頻率下，偏離載波20kHz的相位噪聲

二、相位噪聲與抖動(dòng)：時(shí)頻域的雙生子

上文我們提到過(guò)，相位噪聲與抖動(dòng)是同一物理現(xiàn)象在不同維度上的表現(xiàn)形式，本質(zhì)均源于信號(hào)源的噪聲特性。

相位噪聲是從頻域角度出發(fā)，描述信號(hào)相位在頻率上的隨機(jī)波動(dòng)特性，具體表現(xiàn)為信號(hào)頻譜在載波頻率附近的能量擴(kuò)散，這種擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致頻譜純度下降，常見于振蕩器、鎖相環(huán)等射頻與微波系統(tǒng)中。

抖動(dòng)（Jitter）是從時(shí)域出發(fā)，定義為“信號(hào)的各個(gè)有效瞬時(shí)對(duì)其當(dāng)時(shí)的理想位置的短期性偏離”，比如數(shù)字電路中信號(hào)的上升沿或下降沿在時(shí)間軸上的不穩(wěn)定跳動(dòng)，見下圖5。

圖5 抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)錯(cuò)誤地解讀被傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

抖動(dòng)源通常分為兩類：“有界”和“無(wú)界”

有界抖動(dòng)源會(huì)在可識(shí)別的時(shí)間間隔內(nèi)達(dá)到最大和最小的相位偏差值。這類抖動(dòng)也叫“確定性抖動(dòng)（DJ）”；它們是由系統(tǒng)和與數(shù)據(jù)相關(guān)的（系統(tǒng)：輻射信號(hào)或傳導(dǎo)信號(hào)之間的串?dāng)_、散射效應(yīng)、阻抗失配，數(shù)據(jù)：碼間干擾、占空比失真、偽隨機(jī)、比特序列周期性）抖動(dòng)源而引發(fā)的。

無(wú)界抖動(dòng)源在任何時(shí)間間隔內(nèi)都不會(huì)出現(xiàn)最大或最小的相位偏差，而且至少理論上，它們的抖動(dòng)幅度會(huì)趨于無(wú)窮大。這類抖動(dòng)也會(huì)被歸類為“隨機(jī)抖動(dòng)（RJ）”。它們會(huì)因?yàn)殡S機(jī)噪聲源（熱噪聲、散粒噪聲、粉紅噪聲）而引發(fā)。

三、測(cè)試設(shè)備選擇

1.主流測(cè)試設(shè)備

1.時(shí)域、頻域抖動(dòng)分析比較

測(cè)試信號(hào)：載波為1GHz，調(diào)制頻率為1MHz的調(diào)頻信號(hào)，且伴有0Hz至4MHz的加性噪聲，測(cè)試設(shè)備分別使用FSWP系列相位噪聲分析儀與RTO6示波器。

在圖6頂部，RTO6測(cè)量波形顯示為軌跡函數(shù)（TIE 伴隨時(shí)間的變化趨勢(shì)）。中間的圖顯示的是軌跡函數(shù)的FFT。這個(gè)FFT顯示為PJ的抖動(dòng)頻譜，代表的含義是信號(hào)的總體抖動(dòng) (TJ)，單位為dBps。底部顯示測(cè)量到的TIE的柱狀圖。

圖6 RTO6示波器測(cè)試抖動(dòng)

圖7是以dBc/Hz為單位顯示的FSWP的測(cè)量結(jié)果。FSWP還計(jì)算每個(gè)雜散的PJ、總PJ和相位噪聲譜的RJ（單位為ps）。

為了比較結(jié)果，將兩個(gè)測(cè)量結(jié)果的單位都轉(zhuǎn)換為ps。此外，RTO6的隨機(jī)抖動(dòng)和FSWP的總體抖動(dòng)使用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

TJ2=RJ2+PJ2

圖7 FSWP相位噪聲分析儀測(cè)試抖動(dòng)

下表顯示了各個(gè)測(cè)量結(jié)果和差異，RTO6和FSWP結(jié)果幾乎完全相同。它們測(cè)量到的PJ的頻率相同，并且測(cè)量值的差異小于0.5ps。檢測(cè)到的RJ和TJ值的差異小于0.5ps。這種良好的一致性證明了這兩種儀器具有可比性。