概要
任何电子器件都会产生相位噪声，振荡器是主要的噪声源。 压控振荡器(VCO )在自激振荡或相位锁定时通过噪声调制产生相位噪声。 这符合相位噪声指标表示频谱纯度的理论。 例如在理想的振荡器中，输出是纯正弦波信号，在频域中是单频率点的垂直频谱线。 但是，实际上，由于振荡器中包含的噪声源，输出频率会偏离理想的位置，在载波附近会产生不需要的频率。
产生相位噪声的方法
产生或提高相位噪声的方法有两种。 一种方法是直接用噪声源调制振荡器或VCO。 压控振荡器(图1a )使用锁相环(PLL )锁定相位，环路滤波器的带宽低于最小调制频率。 当可能的最小相位噪声的频率偏差为10Hz (距离载波)时，锁相环的环路带宽设为1Hz。 通过向压控振荡器的频率同步输入端直接注入噪声，调制器VCO在输出端产生相位噪声。 在这种情况下，可以通过提高输入噪声密度来增大相位噪声。
图1 )直接向VCO的调谐输入端子注入电压噪声，以产生相位噪声(a )，或者向相位调制器的变容二极管) b )注入噪声。
输出相位噪声通过VCO增益(KVCO )进行整形。 设VCO的频率为o，则在频率n的1Hz带宽内由噪声源VN[n]进行调制。 可以使用频率调制的窄带近似值来求出VCO输出：
第一个表示载波信号第二项表示远离载波的噪声功率。 相位噪声被定义为频率偏移下噪声功率与o频率点载波功率的比。
VN(n )是n 1Hz频带的均方根噪声电压。 相位噪声分布是噪声源分布除以n得到的。 因此，在将噪声密度分布平坦的白噪声(VN(n=常数) )作为输入源调制了VCO的情况下，如图2所示，输出相位噪声分布每10倍频降低20dB (由调制产生的相位噪声远远大于VCO固有的相位噪声)
图2 .在VCO的调谐输入端直接进行噪声调制产生的相位噪声分布的斜率为20dB/10倍频。
产生相位噪声的第二方法是在相位锁定的VCO输出侧用相位调制器调制载波信号(图1b )。 该方法向相位调制器、即LCL结构的低通滤波器注入噪声。 2个电感是固定的，电容器由变容二极管调整，可以用反向偏置电压设定为额定值。 变容二极管的噪声电压会导致电容发生变化，从而导致相位发生变化。 这样，噪声电压就转换为相位噪声。 增加噪声电压会增加相位噪声。
由于该相位调制方式对PLL环路带宽没有限制，因此为了得到更短的锁定时间，可以尽量加宽环路带宽。 该方法的另一个优点是，相位噪声分布与VCO增益无关，由相位增益(KPHASE )确定，单位为弧度/伏特。 另外，相位增益由LCL滤波器的相位响应和变容二极管的电容特性决定。 相位调制器的VCO输出如下所示。
其中，VN(t )是时刻t的噪声电压。 相位噪声为kphasevn(t )=)。 虽然可以通过对vout(t )进行傅立叶变换来计算相位噪声，但是很难求解。 相位噪声的近似值如下。
在此，s是(t )的光谱密度，单位是rad/Hz，SV ) n )是VN ) t )的光谱密度，单位是V/Hz。 因此，该相位噪声分布具有与调制噪声密度分布相同的波形。 白噪声在通过截止频率为100kHz的低通滤波器后，相位噪声分布与滤波器的频率响应相同。 在这种情况下，相位噪声在滤波器的截止频率下为常数，在-3dB频带外开始降低(图3 )。 使用相位调制电路，可以容易地生成变相噪声信号，可以模拟锁定振荡器等真实世界的噪声源。
图3 .基于图1b的相位调制器的相位噪声分布。 相位噪声分布的波形与调制噪声密度分布相同，白噪声通过100kHz的低通滤波器。
图1b的电路在5MHz到30MHz的范围内正常工作，可以容易地调整电感和电容的值，以其他频率工作。 实验表明，该电路通过调节以2GHz或3GHz的频率工作。 由于这些频率需要约1nH的电感和1pF的电容，因此该方法受能否获得合适的元件和PCB的寄生效果的限制。
变容二极管的电容变化会同时改变噪声信号的振幅和相位。 但是，振幅的变化比相位的变化要小得多。 相位的变化表现为相位噪声，振幅的变化表现为振幅噪声(图4 )。 该调制器生成比振幅调制大30dB的相位调制，保证相位噪声起主导作用。
图4 .图7示出了图1b中10MHz处的相位和幅度的调制器，其中相位的调制器比幅度的调制器大30dB。
产生噪声电压
噪声电压可以用各种方法产生用于相位噪声调制。 最简单的方法是对齐纳二极管的雪崩击穿区域施加反偏压(图5a )。 这个二极管多余的散粒噪声固定地增加了
益放大器和可变增益放大器放大。这些级联放大器的增益必须足够高以产生期望的噪声电平。噪声输出将通过一个滤波器，该滤波器根据图 1a 或 1b 所示的相位噪声分布对输出噪声整形(图 1b 电路的一个优点是噪声源分布的形状和输出的相位噪声分布的形状相同)。图 5. 在齐纳二极管的雪崩击穿区域加反向偏压来产生白噪声。这个白噪声再经过放大、滤波产生用于相位噪声调制的分布噪声(a)。高级噪声发生器采用微处理器产生多段噪声分布，可以更真实地模拟相位噪声分布(b)。
实际振荡器的相位噪声分布可能很复杂，可能在低偏移频率时以 30dB/10 倍频程的斜率下降，在环路带宽内比较平坦，而在环路带宽外又以 20dB/10 倍频程的斜率下降，最终呈现为平坦的噪声底(图 6)。这个相位噪声分布可能还含有一些杂散频率。
图 6. 实际锁相振荡器的相位噪声在低频偏时以 30dB/10 倍频程的斜率迅速下降，在环路带宽内比较平坦，而在环路带宽外又以 20dB/10 倍频程的斜率下降，直到达到噪声底。还可能出现杂散频率。
这样的相位噪声分布需要更复杂的噪声发生器，如图 5b 所示。它利用一个微处理器或数字信号处理器(DSP)与一个 DAC 产生复杂的多段噪声分布。对于图 1b 所示的相位调制器，平坦的相位噪声区域由高斯白噪声通过一个数字滤波器产生，该滤波器在所考虑的频偏处具有平坦的频率响应(如带通滤波器)。为了产生所需的下降斜率，高斯白噪声需通过有限冲激响应(FIR)或无限冲激响应(IIR)数字滤波器进行滤波。寄生频率可以通过在噪声电压上加正弦波产生，然后把所有噪声段叠加起来。仍然是数字形式的噪声电压通过 DAC 转换成模拟电压，然后由一个重建滤波器输出。
结论
产生相位噪声的方法如图 1 所示，产生噪声电压的方法如图 5 所示。图 1a 中的电路通过直接调制 VCO 的调谐输入产生相位噪声，而图 1b 中的电路通过外部的相位调制器来产生相位噪声。每一种方法都可产生不同的相位噪声分布。图 1a 所示的直接调制法可以工作在任意的 VCO 频率。而图 1b 的相位调制法受限于是否可以得到适当的元件以及 PCB 的寄生效应，载波频率限定在几 GHz。
参考文献
Behzad Razavi, RF Microelectronics. Upper Saddle River, NJ, 1998, pg 223.
Enrico Rubiola et. al., "The ±45° Correlation Interferometer as a Means to Measure Phase Noise of Parametric Origin," IEEE Transactions On Instrumentation and Measurement, Vol. 52, No. 1, pp. 182-188.
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