相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式

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。

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＜）。这种随机不确定性不仅和ｍ有关，而且和噪声的性质有关。计算出单项噪声所产生的不确定度；分析了多项噪声对总不确定度的影响，并引用置信度的概念表征测量的不确定度。

定义4：

(t)〕sin[2兀厂t+小(t)]相位噪声是指频率信号中由频率源内部噪声调制(调相或调频)产生的随机相位起伏.当被测相位噪声比频谱分析仪自身的相位噪声大时,可直接利用频谱分析仪来测量相位噪声,这是一种简单、方便的相位噪声测量方法

源自: 频谱分析仪在测量相位噪声过程中的数值修正《国外电子测量技术》2002年曹芸

来源文章摘要：本文介绍了在使用频谱分析仪测量相位噪声时,影响其测量结果的因素并讨论了如何对频谱分析仪输出结果进行修正。

定义5：

则()rk的相角为()kknkqj+q+,其中()nkq是噪声()nk对相位的干扰,称为相位噪声.可见,kq中包含了全部的载波相位信息,kj包含了大量甚至全部的码字信息

源自: 相位处理载波恢复算法研究《信息与电子工程》2003年袁清升,刘文

来源文章摘要：针对数字信号传输同步接收机的数字化实现,提出一种载波同步新算法即相位处理载波恢复算法。它直接对接收信号的相角进行处理,完成载波频率的快速捕获和载波相位跟踪。理论分析和计算机仿真表明,该算法简单有效,运算量小,便于用DSP器件来实现,适用性强。

定义6：

2个调相边带功率之和是总功率的一半,2个调幅边带功率之和是总功率的另一半,换句话说,总噪声功率N0的一半功率转换到调相边带,另一半转换到调幅边带,转换到调相边带的噪声称为相位噪声

源自: 卫星通信系统中相位噪声之理论及测试《电信科学》2000年殷琪

来源文章摘要：本文从相位噪声的定义出发,主要讨论卫星通信系统中相位噪声的来源,介绍一种在现场经常使用的、简便可行的测试相位噪声的方法———频谱分析仪测试方法。

定义7：

SK解调符号上就会引入相位误差,该误差可通称为相位噪声,对系统性能产生重要影响.关于相位噪声对MPSK、MDPSK的影响分析,文献[8]运用几何方法推导了AWGN信道中MPSK的条件误符号率

定义8：

由于电路中的各种随机噪声的作用，使得输出信号的相位会叠加上一个随机的起伏相位△Φ(t)，这就是相位噪声的基本概念。由频率与相位的关系可知，相位噪声必然使得输出频率存在随机的瞬时抖动，其值为d△Φ(t)/dt。，相位噪声越大，频率的瞬时抖动就越大，因此，频率合成器短期频率稳定度指标就能反映相位噪声的大小，但是，用阿仑方程表征的短期频率稳定度是时域指标，测量不便。从频域来看，相位噪声对输出频率产生了调频，使得输出谱不再是单一谱线，而是在中心谱线两侧有一个噪声谱的边带。噪声边带能量越大，意味着相位噪声越大，短期频率稳定度越低，因此，射频输出主谱两侧的噪声功率谱密度分布反映了基带上相位噪声的大小。在频域，相位噪声最方便的测量是用频谱仪，即输出频率的功率与距离该频率的某处的单边带1Hz带宽内的噪声能量(即功率谱密度)之比，其单位为dBc/Hz@×kHz。由于相位噪声功率谱密度是一个随机变量的统计值，用频谱仪测量相位噪声时，一定要取平均。理论分析可以证明，在射频上测得的单边带相位噪声（功率谱密度）与基带相位噪声功率谱密度相差3dB 。

相位噪声

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。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：

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。

?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。

?多层基底中电源层的噪声：这种噪声可能改变逻辑门的阈值电压，或者改变阈值电压的参考地电平，从而改变开关门电路所需的电压值。

?多个门电路同时转换为同一种逻辑状态：这种情况可能导致电源层和地层上感应到尖峰电流，从而可能使阈值电压发生变化。

随机抖动是指由较难预测的因素导致的时序变化。例如，能够影响半导体晶体材料迁移率的温度因素，就可能造成载子流的随机变化。另外，半导体加工工艺的变化，例如掺杂密度不均，也可能造成抖动。

随机抖动最基本的一个特性就是随机性，因此我们可以用高斯统计分布来描述其特性。例如，对一个只包含随机抖动因素的时钟振荡器的振荡周期进行100次连续测量，测量结果会呈高斯分布（或称正态分布）。在其均值加减1个标准差的范围内包含了所有周期测量数据的68.26%，在其均值+/- 2倍标准差的范围内包含所有测量数据的95.4 %，+/- 3倍标准差范围内包含99.73%的测量数据，+/- 4倍标准差范围内包含99.99366%的测量数据。

从这种正态分布中，我们可以得到两种常见的抖动定义：

?峰峰值抖动，即正态曲线上最小测量值到最大测量值之间的差距。在大多数电路中，该值会随测量样本数的增多而变大，理论上可达无穷大。因此，这种测量意义不大。

?RMS(均方根)抖动，即正态分布一阶标准偏差的值。该值随样本数的增加变化不大，因而这种测量较有意义。但这种测量只在纯高斯分布中才有效，如果分布中存在任何确定性抖动，那么利用整个抖动直方图上的一阶方差来估计抖动出现的可能性就是错误的。

?多个随机抖动源可以用RMS方式相加。但要得到总的抖动，需要利用峰峰值，以便将随机抖动与确定性抖动相加。

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。

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)。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。

相位噪声对系统可能造成的影响

对接收机的影响

电子技术的发展，使器件的噪声系数越来越低，放大器的动态范围也越来越大，增益也大有提高，使得电路系统的灵敏度和选择性及线性度等主要技术指标都得到较好的解决。随着技术不断提高，对电路系统又提出了更高的要求，这就要求电路系统必须低相位噪声，在现代技术中，相位噪声已成为限制电路系统的主要因素。低相噪对提高电路系统性能起到重要作用。

在现代接收机中，各种高性能，例如大动态、高选择性、宽频带捷变等都受相位噪声限制。尤其在目前电磁环境越来越恶劣的情况下，接收机经过混频从强干扰信号中提取弱小有用信号是非常重要的。如果在弱小信号邻近处存在强干扰信号，这两种信号经过接收机混频器，就会产生所谓倒易混频现象。

看出本振相噪差时，混频后中频信号被混频后的干扰信号所淹没，如果本振相噪好则信号就能显露出来，只需有一个好的窄带滤波器既可有效的滤出信号。如果本振相噪差，即使中频滤波器能够滤除强干扰中频信号，强干扰中频信号的噪声边带仍然淹没了有用信号，使接收机无法接收到弱小信号，尤其对大动态、高选择性的接收机，这种现象很明显。因此要求接收机具有良好的选择性和大动态，则接收机本振信号的相噪必须好。

对通讯系统的影响

相位噪声好坏对通讯系统有很大影响，尤其现代通讯系统中状态很多，频道又很密集，并且不断的变换，所以对相噪的要求也愈来愈高。如果本振信号的相噪较差，会增加通信中的误码率，影响载频跟踪精度。

相噪不好不仅增加误码率和影响载频跟踪精度，还影响通信接收机信道内、外性能测量，图4表示了相噪对邻近频道选择性的影响。由图4看出，要求接收机选择性越高，则相噪就必须更好，要求接收机灵敏度越高，相噪也必须更好。

对多普勒雷达系统的影响

当目标超低空飞行时，雷达面临着很强的地面杂波，要想从强地杂波中提取信号目标，雷达必须有很高的改善因子。因为这些杂波进入接收机，经混频后，很难把有用信号与强地物反射波分离开，尤其对低速度运动目标，并接近地面时，发现目标就变得非常困难，这时只有提高雷达改善因子。

为了提高低空检测能力，提高对低空突防目标的发现能力，频率源的低相噪非常重要，雷达能从强杂波环境中区分出运动目标，则要求雷达必须全相参产生出极低相噪的发射信号和接收机本振信号及各种相参基准信号，如果改善因子要求大于50dB，频率源的时域ms频率稳定度应优于10-10量级，相噪在S波段偏1KHz 应优于-105dBc/Hz，100KHz优于-125dBc/Hz。

另外雷达往往工作在脉冲状态，尤其低重复周期雷达，调制后的雷达载频频谱为辛格谱，每一根辛格谱远端相噪将迭加给其他辛格谱，使两根相邻辛格谱之间的相噪大大恶化。在频率源“远端”相噪不够低的情况下，这种恶化是很明显的。从这一点看，雷达频率源不能只要求偏离1KHz相噪，同时对偏离10KHz、100KHz 及1MHz都应该有一适当要求，一般应按幂律谱下降，这样才能保证脉冲调制后的发射频谱合格，取得好的改善因子。

降低相位噪声的主要措施

怎样将电路板上的相位噪声和抖动降至最低

电路板设计师可以通过两种关键技术降低板上的确定性信号抖动：

1．完全以差分形式收发信号：诸如LVDS或PECL等一些以差分方式收发信号的惯例，都能极大降低确定性抖动的影响，而且这种差分通路还能消减信号通路上的所有干扰和串扰。由于这种信号收发系统对共模噪声本来就有高度抑制能力，因此差分形式本来就有消除抖动的趋向。

2．仔细布线：只要可能，就要避免出现寄生信号，因为这种信号可能会通过串扰或干扰对信号通路产生影响。走线应该越短越好，而且不应与承载高速开关数字信号的走线交叉。如果采用了差分信号收发系统，那么两条差分信号线就应尽可能靠近，这样才能更好地利用其固有的共模噪声抑制特性。

怎样将芯片中的相位噪声和抖动降至最低

在芯片级上，可以使用以下设计技术将抖动降至最低：

1．差分信号收发：即使进入芯片的是单端信号，最好也在芯片中将其转换为差分信号，原因同上节所述。

2．仔细布设信号通路：在对敏感时序信号通路进行布线时必须小心，而且走线越短越好，还应避免与任何数字信号线交叉。只要条件允许，最好将这些信号通路均在屏幕上显示出来。例如，一条在第二层金属平面上的信号通路可以夹在第一层和第三层金属平面之间，而第一层和第三层金属平面均连接到一个干净的地上。

3．恰当选择缓冲器大小：如果用缓冲器在模块间分配信号，那么必须注意驱动强度的选择。驱动不足会造成信号上升/下降沿过缓，给噪声以可乘之机。

4．保持基底和地的干净：基底噪声和地噪声是造成确定性抖动的主要原因。在一个有多路同步数字输出的芯片内，地线反弹噪声(ground bounce)可能会达到几百毫伏，甚至1伏。为了降低地线反弹噪声，芯片上应该有尽可能多的电源对，而且这些电源对应尽可能靠近数字输出。

5．使用一个单独的干净地层：在电路设计中，最好将数字电路的电源与敏感的模拟电路(如振荡器或PLL)的电源分开。数字电路，尤其是高驱动输出数字电路的电源很可能会引入噪声，而且这种电源一旦用于时序电路，那么也会成为增大抖动的一个主要原因。因此，对PLL这样的电路甚至可以利用电源滤波来进一步减小电源噪声的影响。

怎样将单元模块中的相位噪声和抖动降至最低

在设计单元模块时可以采用以下技术来减小抖动：

1．利用尾电流--时序电路中使用的电流与相位噪声之间有一个直接的关系。例如，增大一对差分对的尾电流必定导致抖动性能得到改善。于是我们就必须在降低抖动和缩减功耗之间寻求一个平衡，在适当之处选择性地增大最敏感电路的电流。

2．仔细布局--在对那些可能引起相位噪声的单元进行布局时必须小心，匹配元件(例如连接到一对差分对的输入)应方向相同，而且尽可能对称布局。该方法会使应匹配的元件具有同样的处理斜率(process gradients)，因而有助于改善元件之间的匹配程度。电阻应尽可能宽，以减小Delta W效应。如果可能，应在整个电路中使用同一种类，甚至尺寸和阻值都相同的电阻来帮助跟踪工艺和温度的所有变化。

总而言之，要想尽可能减小抖动，就必须在所有设计层上都小心谨慎。高速数字设计师在设计过程的每一步都应考虑相位噪声和抖动的影响。

相位噪声的测试技术

右图：Agilent E5505A Phase Noise Measurement Solution, 50 kHz to 110 GHz 1、直接频谱仪法

将未调制的高频或者微波载频信号直接加到频率范围及性能适合的高频或者微

波频谱仪上，显示出该信号的频谱，便可观测出该被测信号的噪声。目前常用的谱分析仪一般分为两类:一类是频谱分析仪，它允许输入信号具有很宽的频率范围，且具备中等程度的分析带宽。以HP 8568A为例,其工作频率范围为100Hz～1.5GHz，最小分析带宽为10Hz。另一类称为波形分析仪，它一般工作在较低的

频段，但具有很高的频率分辨率。以HP 3582A为例，其工作频率范围为0.02Hz～25.599Hz，频率分辨率为0.02Hz。

直接频谱仪法是一种最容易、最简单的相位噪声测量技术，它可以直接显示单边带相位噪声Lp(f),精确地显示两边带上的离散信号。该方法最适宜测量漂移较小但相位噪声相对较高的信号源。其缺点是不能测量频谱纯净的源，这主要是受频谱仪的动态范围和最小分辨带宽的限制；不能分辨调幅噪声和相位噪声，故对调幅噪声严重的源不能直接测得相位噪声Lp(f)，也不适于测量漂移严重的源的Lp(f)。

右图：Aeroflex PN9000 fast Automatic Phase Noise Test System 2 MHz to 140 GHz

2、鉴频法

鉴频法也称单源法。就是将被测信号源的频率起伏Δf由某种微波鉴频器变为电压起伏ΔV，用基带频谱仪进行测量，直接得出SΔf(f),进而也可求出Sj(f)或者Lp(f)。

系统工作原理如下：将被测源信号经功分器分两路，一路经宽带延迟线时延τd，以便将频率起伏变为相位起伏Δj后进入鉴相器，另一路信号经宽带可变移相器相移后进入鉴相器进行正交鉴相，由鉴相器将相位噪声转换为电压噪声，经A/D、FFT和功率谱估计等信号处理后，测得被测信号的相位噪声功率谱Sj(f)和相对单边功率谱Lp(f)。

3.鉴相法

鉴相法也称相位检波器法，这种方法是将被测信号与一同频高稳定的参考源进行正交鉴相。

在此方案中，采用外差方式将被测源信号降至中频，在中频用晶体滤波器和含VCXO（压控晶体振荡器）的PLL提纯，以获取被测信号的连续载波信号，该信号经相移后与被测信号鉴相器中正交鉴相，提取被测信号的相位噪声。提纯载波信号的目的是为了避免被测信号中的相位噪声与载波信号在鉴相器中互相抵消，造成测试误差。鉴相器将被测信号的相位噪声转换为电压噪声。经A/D、FFT、功率谱估计等信号处理后，测得Sj(f)或Lp(f)。如果用于连续波相噪测试，则该测试系统的相位提纯支路可进一步简化。

该方案的优点是采用外差方案，被测信号频率范围宽，系统灵敏度较高。缺点是载波提纯，移相器的研制较困难，而且相移器、晶体滤波器特性、鉴相增益Kj 等受温度和噪声大小等诸多因素的影响而变化，不易实现自动化测量。

4.中频谱分析法

被测源信号与参考源信号混频后产生一个中频信号，该信号经声表（SAW）滤波器，低噪声放大后进入A/D变换器，A/D变换器的采样频率需满足带通采样定理，采样频率信号由DDS和PLL产生，采得的数据经高速缓存送入PC进行数据处理，经FFT、功率谱估计等，获得的Sj(f)或Lp(f)可直接在PC屏幕上显示。