說(shuō)到頻率控制，實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)序和同步至關(guān)重要。然而，許多因素會(huì)降低時(shí)間敏感型應(yīng)用的性能，其中一個(gè)因素就是動(dòng)態(tài)相位噪聲。在這篇技術(shù)文章中，我們將深入研究動(dòng)態(tài)相位噪聲的概念，探討其對(duì)射頻和微波系統(tǒng)性能的影響，并討論工程師可以用來(lái)減輕其影響的幾種技術(shù)。
在深入研究動(dòng)態(tài)相位噪聲之前，我們先簡(jiǎn)單了解一下相位噪聲本身。相位噪聲是指信號(hào)相位中不希望出現(xiàn)的波動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致時(shí)序不確定性并降低短期穩(wěn)定性。例如，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械鐘在其滴答（相位）偏離1秒鐘時(shí)會(huì)出現(xiàn)相位波動(dòng)。圖1展示了如果每秒拍攝一次快照，這種時(shí)鐘會(huì)是什么樣子，這是由一個(gè)更可信的時(shí)鐘確定的，石英晶振；實(shí)際上，相位波動(dòng)是相對(duì)于至少一個(gè)參考信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的——該信號(hào)的相位噪聲優(yōu)于被測(cè)信號(hào)。所有真實(shí)世界的信號(hào)都會(huì)表現(xiàn)出相位噪聲，它可以是周期性的，也可以是隨機(jī)的。振蕩器、放大器和非線性器件（如乘法器和分頻器）也可能引起相位噪聲，所有這些器件都會(huì)隨著溫度和振動(dòng)而增加相位噪聲。
什么是動(dòng)態(tài)相位噪聲？
動(dòng)態(tài)相位噪聲特指由機(jī)械振動(dòng)引起的相位波動(dòng)。許多應(yīng)用程序?qū)τ陬l率源而言，環(huán)境振動(dòng)較大，可能導(dǎo)致比靜態(tài)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境更高的相位噪聲。這主要是由于振動(dòng)對(duì)振蕩器的影響，尤其是石英晶體。例如，當(dāng)晶體振蕩器受到物理力引起的加速度時(shí)，它們的輸出會(huì)發(fā)生頻移。因此，外部施加的振動(dòng)導(dǎo)致振蕩器的頻率調(diào)制；由于相位定義為頻率的積分，因此相位也會(huì)調(diào)制，從而增加相位噪聲。這種調(diào)制與振蕩器看到的加速度成正比，因此振動(dòng)幅度越大，引起的相位噪聲退化越嚴(yán)重。因此，動(dòng)態(tài)相位噪聲會(huì)顯著影響時(shí)間敏感型應(yīng)用的性能。
動(dòng)態(tài)相位噪聲有什么影響？
動(dòng)態(tài)相位噪聲會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生多種不利影響，包括：
抖動(dòng):信號(hào)相位的波動(dòng)會(huì)引入抖動(dòng)，抖動(dòng)是相位噪聲在時(shí)域中的一種表現(xiàn)形式，會(huì)導(dǎo)致時(shí)間測(cè)量和同步不準(zhǔn)確。這在射頻和微波系統(tǒng)中尤其成問(wèn)題，因?yàn)榫_的時(shí)序至關(guān)重要。
光譜再生和光譜純度:動(dòng)態(tài)相位噪聲會(huì)將信號(hào)能量從目標(biāo)頻率分散到整個(gè)頻譜，淹沒(méi)相鄰頻率。這種頻譜擴(kuò)展會(huì)干擾接收機(jī)對(duì)小信號(hào)的檢測(cè)，并破壞相鄰信道。動(dòng)態(tài)相位噪聲可能是RF系統(tǒng)的最大威脅，因?yàn)镽F系統(tǒng)依賴于區(qū)分目標(biāo)信號(hào)和噪聲的能力。
誤碼率（BER）:在數(shù)字通信系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)相位噪聲會(huì)增加誤碼率，導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞和系統(tǒng)性能下降。隨著系統(tǒng)帶寬和數(shù)據(jù)速率的增加，這一點(diǎn)變得更加明顯。
如何減輕動(dòng)態(tài)相位噪聲？
為了減輕動(dòng)態(tài)相位噪聲的影響并保持高性能水平，可以采用多種技術(shù):
低噪聲設(shè)計(jì):用低加速度靈敏度晶體實(shí)現(xiàn)石英晶體振蕩器可以直接將系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)相位噪聲的影響降至最低。此外，仔細(xì)的元件選擇和電路布局可以顯著降低其他來(lái)源的噪聲貢獻(xiàn)，并隔離振蕩器的振動(dòng)。
被動(dòng)隔振:防震安裝是隔離振蕩器振動(dòng)的最常用方法。通過(guò)改變防震座的剛度和有效載荷質(zhì)量，RF工程師可以設(shè)計(jì)出在較長(zhǎng)頻率范圍內(nèi)衰減振動(dòng)的系統(tǒng)。這導(dǎo)致相應(yīng)的動(dòng)態(tài)相位噪聲降低。被動(dòng)隔振在高頻率下表現(xiàn)良好，但在較低頻率下受到限制，在較低頻率下，減震器會(huì)產(chǎn)生共振并放大振動(dòng)內(nèi)容。盡管如此，這種方法可以很好地改善動(dòng)態(tài)相位噪聲性能。
圖2:被動(dòng)隔振可以將動(dòng)態(tài)相位噪聲的影響降至最低。
自舉: 這種技術(shù)由文澤爾Quantic公司的射頻工程團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)，使用兩個(gè)堅(jiān)固的石英晶體振蕩器來(lái)補(bǔ)償動(dòng)態(tài)相位噪聲。代表兩個(gè)振蕩器相位差的電壓（很像鎖相環(huán)用于鎖相的電壓）用于產(chǎn)生相位波動(dòng)，以實(shí)時(shí)抵消振動(dòng)引起的波動(dòng)。
主動(dòng)和被動(dòng)振動(dòng)補(bǔ)償:這種技術(shù)將基于加速度計(jì)和減震器的解決方案配對(duì)，以產(chǎn)生協(xié)同優(yōu)勢(shì)。主動(dòng)振動(dòng)補(bǔ)償利用加速度計(jì)檢測(cè)振蕩器的加速度，并直接消除其對(duì)動(dòng)態(tài)相位噪聲的影響。與被動(dòng)補(bǔ)償不同，主動(dòng)補(bǔ)償在低頻時(shí)不受限制。因此，這兩種技術(shù)的綜合效果可以在更寬的頻率范圍內(nèi)衰減振動(dòng)，從而顯著改善相位噪聲性能，見(jiàn)圖3。
圖3:采用Microchip Technology 53100A相位噪聲分析儀測(cè)量的被動(dòng)隔振和主動(dòng)補(bǔ)償對(duì)OCXO恒溫晶振動(dòng)態(tài)相位噪聲的綜合影響。
數(shù)字信號(hào)處理（DSP）:先進(jìn)的DSP算法可以用來(lái)補(bǔ)償數(shù)字通信系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)相位噪聲。相位估計(jì)、均衡和自適應(yīng)濾波等技術(shù)有助于減輕相位噪聲對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟焕绊憽?/span>自適應(yīng)濾波和均衡:在動(dòng)態(tài)相位噪聲影響信號(hào)質(zhì)量的系統(tǒng)中，可以采用自適應(yīng)濾波和均衡技術(shù)來(lái)補(bǔ)償相位波動(dòng)引起的失真。這些方法基于觀察到的相位噪聲特性主動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。
結(jié)論:
動(dòng)態(tài)相位噪聲是現(xiàn)代射頻和微波系統(tǒng)中的一大挑戰(zhàn)，尤其是在高速通信和時(shí)序要求嚴(yán)格的應(yīng)用中。了解其影響并實(shí)施適當(dāng)?shù)木徑饧夹g(shù)對(duì)于保持準(zhǔn)確的時(shí)序、頻譜純度和數(shù)據(jù)完整性至關(guān)重要。通過(guò)采用低相位噪聲設(shè)計(jì)實(shí)踐和緩解技術(shù)，RF工程師可以有效降低動(dòng)態(tài)相位噪聲的影響，從而在惡劣環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)性能。
進(jìn)口愛(ài)普生晶振FA-20H,Q24FA20H00005水晶振動(dòng)子
EPSON愛(ài)普生晶振C-2,Q12C20001000600水晶振動(dòng)子
SMD-49無(wú)源諧振器,KDS日本晶體,1AJ250004B兩腳無(wú)源晶振