使用實時采樣示波器測量相位噪聲——第二部分

為了檢測示波器相位噪聲測量的精度，我們使用了內置寬帶隨機相位調制源的純凈信號源。通過在較寬的頻帶上引入相對較大的 PM(Phase Modulation的簡稱，下略) 振幅，我們可以將測量值與是德科技 E5052B 等信號源分析儀的測量值進行對比，從而驗證兩種設備測得的噪聲水平。

在下面的測量中（圖 1），SSA 的測量結果為藍色，示波器（是德科技 MSOS804A）的測量結果為綠色。在注入的 PM范圍內兩者呈現(xiàn)了完美的一致性。高于 2 MHz 時，由于 SSA 的本底噪聲較低，因此兩條曲線有所分離。

圖 1

測量本底噪聲

實時采樣示波器進行抖動測量時的本底噪聲受垂直（電壓）精度和定時精度的影響。采樣系統(tǒng)的垂直噪聲、時間基準的穩(wěn)定性、示波器自身的振蕩器的相位噪聲和示波器交織采樣體系結構的缺陷都會給抖動測量造成誤差，進而影響相位噪聲測量。

示波器抖動測量本底技術指標的計算公式如下：

TIE= 噪聲邊沿轉換速率2+固有抖動2 [秒峰值]

固有抖動部分由內部參考時基的穩(wěn)定性決定。對最高性能的示波器而言，例如 63 GHz 的是德科技 Z 系列產品，該值可能低至 50 fs，但必須注意該值只在相當短的采樣時間內有效。測量相近的相位噪聲時我們需要延長采樣時間，此時示波器的固有抖動會增加，因為示波器本身也有相位噪聲。

本底噪聲和信號轉換速率

大部分情況下式中第一項決定了抖動測量的本底噪聲。信號和示波器垂直噪聲與信號的有限轉換速率一起使得邊沿出現(xiàn)明顯的水平位移，即抖動。因此選擇垂直噪聲帶寬密度盡可能低的示波器至關重要。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測量的本底噪聲。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量噪聲。

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

針對每次測量，示波器的帶寬進行了如下調整：

藍色 = 8GHz，綠色 = 4GHz，紅色 = 1GHz，藍綠色 = 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設置下。這一點可以得到解釋，因為我們從8GHz 到200MHz降低了帶寬。如果示波器噪聲與帶寬呈線性關系，可以預計噪聲下降 10*log10(0.2/8) = -16dB。這一情形并不適用于所有頻點。低頻段時，示波器的內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量信號的轉換速率和信號頻率與示波器全帶寬的比值。

本底噪聲與示波器內部 PLL/振蕩器

人們常常對低頻相位調制中的相位噪聲測量很感興趣。除了前一篇文章討論過的對快速響應和深存儲的采集要求外，時間基準特別穩(wěn)定，且配有設計精良的 PLL 電路對示波器而言也非常重要，，因為這在低頻測量時起主要作用。

從下面的測試（圖 3）中可以看出，采用舊技術的示波器（綠色）在近載波時的相位噪聲高于采用新技術的示波器（藍色）。

圖 3

為示波器使用外部參考時鐘，也有可能改善近載波相位噪聲，因為外部時鐘比內部振蕩器更純凈。下圖（圖 4）為是德科技 V 系列產品使用內部振蕩器（藍色）和 Wenzel 10MHz 參考時鐘（紅色）時的測量對比。

圖 4

本底噪聲和采樣率

前面已經提到，示波器的采樣率應保持較高，以精確地確定邊沿。如果能夠降低采樣率自然很好，因為這樣我們可以使用更少的采樣點，從而可以加快測量速度，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，保證采樣率不會對測量精度產生明顯影響。

下圖（圖 5）中我們可以看到，對同一個 100 MHz 純正弦波進行測量時，改變采樣率（帶寬始終為 200MHz）對相位噪聲測量的影響。

藍色 = 1GSa/s，綠色 = 5GSa/s，紅色 = 10GSa/s，藍綠色 = 20GSa/s。

圖 5

可以看到改變采樣率最終會影響相位噪聲測量的本底噪聲。在本例中，20GSa/s 和 10GSa/s 時沒有明顯區(qū)別，但采樣率更低時結果中的噪聲有所增加。影響的程度取決于信號邊沿的形狀和轉換率。

數(shù)據(jù)信號的相位噪聲

示波器采用時鐘恢復算法提取 TIE 信息，這種方法的優(yōu)勢是能夠測量數(shù)據(jù)信號的相位噪聲。下面（圖 6）是對高速碼型發(fā)生器進行相位噪聲測量的實例。該測量中唯一的不同是所使用的碼型。藍色是偽隨機位序列，綠色是重復的 1-0 時鐘碼型。

圖 6

高頻率偏移時相位噪聲有所不同，這是由發(fā)生器本身特性決定的。

總結

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