作者：Peter Delos and Jarrett Liner

在雷達(dá)應(yīng)用中，相位噪聲是需要高雜波衰減的系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。相位噪聲是所有無(wú)線電系統(tǒng)關(guān)注的問(wèn)題，但雷達(dá)尤其需要相位噪聲性能，頻率偏移比通信系統(tǒng)更接近載波。

這些高性能系統(tǒng)中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將選擇超低相位噪聲振蕩器，從噪聲角度來(lái)看，信號(hào)鏈的目標(biāo)是將振蕩器相位噪聲曲線的退化降至最低。這需要對(duì)信號(hào)鏈中的各種元件進(jìn)行殘余或附加相位噪聲測(cè)量。

最近發(fā)布的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）對(duì)于頻率轉(zhuǎn)換級(jí)所需的任何LO的波形生成和頻率創(chuàng)建都極具吸引力。然而，雷達(dá)物鏡對(duì)DAC相位噪聲性能提出了挑戰(zhàn)。

圖1.AD9164相位噪聲改善

在本文中，我們將展示使用AD9164 DAC在10 kHz失調(diào)下測(cè)得的改進(jìn)超過(guò)10 dB。圖1顯示了改進(jìn)情況，我們將討論如何通過(guò)電源穩(wěn)壓器選擇和測(cè)試設(shè)置改進(jìn)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

相位噪聲定義

相位噪聲是周期信號(hào)過(guò)零偏差的量度?？紤]具有相位波動(dòng)的余弦波

相位噪聲由相位變化的功率譜密度確定

線性術(shù)語(yǔ)中，單側(cè)相位噪聲定義為

相位噪聲通常以dBc/Hz為單位表示，從10log（L（f）開(kāi)始）。然后繪制相對(duì)于RF載波的偏移頻率的相位噪聲數(shù)據(jù)。

圖2.相位噪聲圖法。

相位噪聲的一個(gè)重要進(jìn)一步定義是絕對(duì)相位噪聲與殘余相位噪聲。絕對(duì)相位噪聲是在系統(tǒng)中測(cè)量的總相位噪聲。殘余相位噪聲是被測(cè)器件的附加相位噪聲。這種區(qū)別在測(cè)試設(shè)置和確定系統(tǒng)中組件級(jí)相位噪聲貢獻(xiàn)的過(guò)程中變得至關(guān)重要。

DAC/DDS 相位噪聲測(cè)量方法

本節(jié)中的圖說(shuō)明了DDS相位噪聲測(cè)試設(shè)置。對(duì)于DAC相位噪聲測(cè)量，假設(shè)DAC用作直接數(shù)字頻率合成器（DDS）子系統(tǒng)的一部分。DDS通過(guò)數(shù)字正弦波模式實(shí)現(xiàn)到DAC，該DAC可以位于單片IC中，也可以是FPGA或ASIC與DAC通信。在現(xiàn)代DDS設(shè)計(jì)中，數(shù)字相位誤差可以遠(yuǎn)小于DAC誤差，DDS相位噪聲測(cè)量通常受到DAC性能的限制。

最簡(jiǎn)單和最常見(jiàn)的測(cè)試設(shè)置如圖3所示。時(shí)鐘源用于DDS，DDS輸出饋送到互相關(guān)型相位噪聲分析儀。這很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹恍枰粋€(gè) DDS。但是，使用此測(cè)試設(shè)置，無(wú)法提取振蕩器貢獻(xiàn)以?xún)H顯示DDS相位噪聲。

圖3.絕對(duì)相位噪聲 DDS 測(cè)試設(shè)置包括 DAC 和振蕩器噪聲。

圖4顯示了從測(cè)量中消除振蕩器相位噪聲的兩種常用方法，從而提供殘余噪聲測(cè)量。測(cè)量的缺點(diǎn)是測(cè)試設(shè)置中需要額外的DAC。但是，其好處是可以更好地指示DAC相位噪聲貢獻(xiàn)，可以應(yīng)用于系統(tǒng)級(jí)分析預(yù)算。

圖4a.DDS使用鑒相器方法測(cè)量殘余相位噪聲。

圖4a顯示了鑒相器方法。在這種情況下，使用兩個(gè)DAC，振蕩器的貢獻(xiàn)在下變頻至直流時(shí)從兩個(gè)DUT中減去。

圖4b.DDS使用互相關(guān)法測(cè)量殘余相位噪聲。

圖4b顯示了使用互相關(guān)相位噪聲分析的方法。在這種情況下，DDS2和DDS3用于將時(shí)鐘貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)換為測(cè)量的LO端口，在互相關(guān)算法中去除它們的貢獻(xiàn)，并在測(cè)量中獲得DDS1殘余相位噪聲。

電源噪聲貢獻(xiàn)

在低噪聲模擬和RF設(shè)計(jì)中，電源噪聲是需要考慮的眾所周知的因素。周期性調(diào)制到RF載波上的電源紋波，并在等于紋波頻率的頻率偏移處在RF載波上產(chǎn)生雜散。穩(wěn)壓器1/f噪聲也會(huì)調(diào)制到RF載波上，并影響相位噪聲曲線。圖 5 說(shuō)明了這些原理。

圖5.調(diào)制到RF載波上的電源缺陷。

測(cè)量結(jié)果

在研究真正的DAC相位噪聲性能時(shí)，考慮了測(cè)試設(shè)置和穩(wěn)壓器噪聲性能。

最初的DAC評(píng)估板包括用于模擬和時(shí)鐘電壓的ADP1740穩(wěn)壓器。將噪聲頻譜密度與最近發(fā)布的超低噪聲穩(wěn)壓器進(jìn)行了比較，并選擇了ADM7155。圖6顯示了產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中所示的噪聲密度比較。電源修改只是將ADM7155用于AD9164時(shí)鐘（數(shù)據(jù)手冊(cè)引腳VDD12_CLK）和模擬電壓（數(shù)據(jù)手冊(cè)引腳VDD12A）。

圖6.穩(wěn)壓器噪聲密度比較。請(qǐng)注意Y軸單位——ADM7155改進(jìn)了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

接下來(lái)，考慮殘余相位噪聲測(cè)量的測(cè)試設(shè)置選項(xiàng)。羅德與施瓦茨FSWP選擇互相關(guān)方法主要是出于可用性和便利性。使用的測(cè)試設(shè)置如圖7所示。

圖7.AD9164相位噪聲測(cè)量的測(cè)試設(shè)置

圖8.AD9164 800 MHz輸出相位噪聲比較

圖 8 是三種情況的測(cè)量結(jié)果。采用絕對(duì)相位噪聲方法進(jìn)行的初始評(píng)估板測(cè)量結(jié)果顯示為紅色曲線。淺藍(lán)色曲線也是絕對(duì)測(cè)量值，但隨著調(diào)節(jié)器的改進(jìn)。深藍(lán)色曲線是殘余相位噪聲測(cè)量值，還包括穩(wěn)壓器改進(jìn)。

測(cè)量表明初始測(cè)量中有三個(gè)一般限制區(qū)域，這些區(qū)域在調(diào)查開(kāi)始時(shí)并不明顯。低于1 kHz的頻率受到時(shí)鐘源噪聲接近的限制。1 kHz至100 kHz的頻率受到穩(wěn)壓器選擇的限制。100 kHz以上的頻率受到時(shí)鐘源的限制。10 MHz以上的急劇下降是時(shí)鐘源的貢獻(xiàn)，因?yàn)槭褂玫臅r(shí)鐘是產(chǎn)生6 GHz的乘法晶體振蕩器，滾降來(lái)自乘法級(jí)中使用的RF濾波器。

在額外的DAC頻率下進(jìn)行了穩(wěn)壓器改進(jìn)的殘余相位噪聲測(cè)量，圖9總結(jié)了幾個(gè)。這些修改在多個(gè)評(píng)估板上重復(fù)，所有案例都顯示出相同的改進(jìn)結(jié)果。

Figure 9. AD9164 residual phase noise measurements with low noise regulator improvement.

具有類(lèi)似噪聲密度的超低噪聲穩(wěn)壓器系列如表1所示。如圖所示，對(duì)DAC相位噪聲的影響很大，對(duì)于RF系統(tǒng)中需要最佳相位噪聲性能的任何區(qū)域，也建議考慮這些影響。

總結(jié)

對(duì)基本定義、絕對(duì)與殘余相位噪聲、DAC相位噪聲測(cè)量測(cè)試設(shè)置和穩(wěn)壓器噪聲貢獻(xiàn)進(jìn)行了相位噪聲審查。

通過(guò)包括殘余相位噪聲測(cè)試方法和最佳穩(wěn)壓器選擇，證明了DAC相位噪聲的改善。最終結(jié)果是，當(dāng)模擬電壓和時(shí)鐘電壓由ADI公司的低噪聲穩(wěn)壓器系列供電時(shí)，AD9164現(xiàn)在成為基于DDS的超低相位噪聲應(yīng)用的使能器。

審核編輯：郭婷