使用實(shí)時(shí)采樣示波器測(cè)量相位噪聲——第二部分

本底噪聲和信號(hào)轉(zhuǎn)換速率

大部分情況下式中第一項(xiàng)決定了抖動(dòng)測(cè)量的本底噪聲。信號(hào)和示波器垂直噪聲與信號(hào)的有限轉(zhuǎn)換速率一起使得邊沿出現(xiàn)明顯的水平位移，即抖動(dòng)。因此選擇垂直噪聲帶寬密度盡可能低的示波器至關(guān)重要。如果示波器可以限制任意頻率的帶寬，那么也可以改善抖動(dòng)測(cè)量的本底噪聲。由于相位噪聲信息包括在帶寬2*fc 中，我們可以在很多情況下大幅降低測(cè)量噪聲。

下圖（圖 2）是使用是德科技 8GHz S 系列示波器進(jìn)行相位噪聲測(cè)量的實(shí)例。信號(hào)源為 100 MHz 正弦波，由 E8267D 超低相位噪聲信號(hào)發(fā)生器提供。E8267D 的真實(shí)相位噪聲（由 SSA 或其他合適的低相位噪聲儀器確定）遠(yuǎn)低于示波器的測(cè)量范圍，因此我們可以得到示波器的本底噪聲。

針對(duì)每次測(cè)量，示波器的帶寬進(jìn)行了如下調(diào)整：

藍(lán)色 = 8GHz，綠色 = 4GHz，紅色 = 1GHz，藍(lán)綠色 = 200MHz。

圖 2

1-10MHz 頻帶的相位本底噪聲從約 -124dBc/Hz 降至 -140dBc/Hz，在帶寬限制從 8GHz 改變至 200MHz設(shè)置下。這一點(diǎn)可以得到解釋?zhuān)驗(yàn)槲覀儚?GHz 到200MHz降低了帶寬。如果示波器噪聲與帶寬呈線性關(guān)系，可以預(yù)計(jì)噪聲下降 10*log10(0.2/8) = -16dB。這一情形并不適用于所有頻點(diǎn)。低頻段時(shí)，示波器的內(nèi)部參考相位噪聲起主要作用。在較高的頻段下，我們可以看到，示波器在 200 MHz 時(shí)建立完美的磚墻式帶寬限制濾波器的能力存在局限。這意味著測(cè)量值中仍有頻率大于 200 MHz示波器噪聲。

限制示波器帶寬的好處高度取決于被測(cè)量信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率和信號(hào)頻率與示波器全帶寬的比值。

本底噪聲與示波器內(nèi)部 PLL/振蕩器

人們常常對(duì)低頻相位調(diào)制中的相位噪聲測(cè)量很感興趣。除了前一篇文章討論過(guò)的對(duì)快速響應(yīng)和深存儲(chǔ)的采集要求外，時(shí)間基準(zhǔn)特別穩(wěn)定，且配有設(shè)計(jì)精良的 PLL 電路對(duì)示波器而言也非常重要，，因?yàn)檫@在低頻測(cè)量時(shí)起主要作用。

從下面的測(cè)試（圖 3）中可以看出，采用舊技術(shù)的示波器（綠色）在近載波時(shí)的相位噪聲高于采用新技術(shù)的示波器（藍(lán)色）。

圖 3

為示波器使用外部參考時(shí)鐘，也有可能改善近載波相位噪聲，因?yàn)橥獠繒r(shí)鐘比內(nèi)部振蕩器更純凈。下圖（圖 4）為是德科技 V 系列產(chǎn)品使用內(nèi)部振蕩器（藍(lán)色）和 Wenzel 10MHz 參考時(shí)鐘（紅色）時(shí)的測(cè)量對(duì)比。

圖 4

本底噪聲和采樣率

前面已經(jīng)提到，示波器的采樣率應(yīng)保持較高，以精確地確定邊沿。如果能夠降低采樣率自然很好，因?yàn)檫@樣我們可以使用更少的采樣點(diǎn)，從而可以加快測(cè)量速度，提高平均化效果或獲得更低的頻率偏移。但我們必須要小心，保證采樣率不會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生明顯影響。

下圖（圖 5）中我們可以看到，對(duì)同一個(gè) 100 MHz 純正弦波進(jìn)行測(cè)量時(shí)，改變采樣率（帶寬始終為 200MHz）對(duì)相位噪聲測(cè)量的影響。

藍(lán)色 = 1GSa/s，綠色 = 5GSa/s，紅色 = 10GSa/s，藍(lán)綠色 = 20GSa/s。

圖 5

可以看到改變采樣率最終會(huì)影響相位噪聲測(cè)量的本底噪聲。在本例中，20GSa/s 和 10GSa/s 時(shí)沒(méi)有明顯區(qū)別，但采樣率更低時(shí)結(jié)果中的噪聲有所增加。影響的程度取決于信號(hào)邊沿的形狀和轉(zhuǎn)換率。

數(shù)據(jù)信號(hào)的相位噪聲

示波器采用時(shí)鐘恢復(fù)算法提取 TIE 信息，這種方法的優(yōu)勢(shì)是能夠測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)的相位噪聲。下面（圖 6）是對(duì)高速碼型發(fā)生器進(jìn)行相位噪聲測(cè)量的實(shí)例。該測(cè)量中唯一的不同是所使用的碼型。藍(lán)色是偽隨機(jī)位序列，綠色是重復(fù)的 1-0 時(shí)鐘碼型。

圖 6

高頻率偏移時(shí)相位噪聲有所不同，這是由發(fā)生器本身特性決定的。

總結(jié)

總之，盡管實(shí)時(shí)采樣示波器并非相位噪聲測(cè)量的第一選擇，但根據(jù)測(cè)量要求的不同，仍可作為可接受的選項(xiàng)。對(duì)于近載波相位噪聲測(cè)量（一般小于 1kHz），專(zhuān)用的相位噪聲分析儀或頻譜分析儀可以帶來(lái)更快、更精確的測(cè)量。但測(cè)量相對(duì)低成本的振蕩器和 PLL 電路，或需要高帶寬時(shí)，配備純凈的時(shí)基和低噪聲前端的示波器也可以完成測(cè)量。此外，使用實(shí)時(shí)示波器還有一個(gè)好處，如果使用了串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)法，它還可以從串行信號(hào)中提取相位噪聲。