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Wenzel了解動態(tài)相位噪聲HF ONYX IV

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 瀏覽：- 發(fā)布日期：2024-03-12 10:08:29【大 中 小】
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Wenzel了解動態(tài)相位噪聲HF ONYX IV

說到頻率控制，實現(xiàn)精確的時序和同步至關(guān)重要。然而，許多因素會降低時間敏感型應(yīng)用的性能，其中一個因素就是動態(tài)相位噪聲。在這篇技術(shù)文章中，我們將深入研究動態(tài)相位噪聲的概念，探討其對射頻和微波系統(tǒng)性能的影響，并討論工程師可以用來減輕其影響的幾種技術(shù)。

Wenzel了解動態(tài)相位噪聲

什么是相位噪聲？
在深入研究動態(tài)相位噪聲之前，我們先簡單了解一下相位噪聲本身。相位噪聲是指信號相位中不希望出現(xiàn)的波動，這會導致時序不確定性并降低短期穩(wěn)定性。例如，一個標準機械鐘在其滴答（相位）偏離1秒鐘時會出現(xiàn)相位波動。圖1展示了如果每秒拍攝一次快照，這種時鐘會是什么樣子，這是由一個更可信的時鐘確定的，石英晶振；實際上，相位波動是相對于至少一個參考信號進行測量的——該信號的相位噪聲優(yōu)于被測信號。所有真實世界的信號都會表現(xiàn)出相位噪聲，它可以是周期性的，也可以是隨機的。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，所有這些器件都會隨著溫度和振動而增加相位噪聲。
什么是動態(tài)相位噪聲？
動態(tài)相位噪聲特指由機械振動引起的相位波動。許多應(yīng)用程序?qū)τ陬l率源而言，環(huán)境振動較大，可能導致比靜態(tài)實驗室環(huán)境更高的相位噪聲。這主要是由于振動對振蕩器的影響，尤其是石英晶體。例如，當晶體振蕩器受到物理力引起的加速度時，它們的輸出會發(fā)生頻移。因此，外部施加的振動導致振蕩器的頻率調(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，因此振動幅度越大，引起的相位噪聲退化越嚴重。因此，動態(tài)相位噪聲會顯著影響時間敏感型應(yīng)用的性能。
動態(tài)相位噪聲有什么影響？
動態(tài)相位噪聲會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生多種不利影響，包括：
抖動:信號相位的波動會引入抖動，抖動是相位噪聲在時域中的一種表現(xiàn)形式，會導致時間測量和同步不準確。這在射頻和微波系統(tǒng)中尤其成問題，因為精確的時序至關(guān)重要。
光譜再生和光譜純度:動態(tài)相位噪聲會將信號能量從目標頻率分散到整個頻譜，淹沒相鄰頻率。這種頻譜擴展會干擾接收機對小信號的檢測，并破壞相鄰信道。動態(tài)相位噪聲可能是RF系統(tǒng)的最大威脅，因為RF系統(tǒng)依賴于區(qū)分目標信號和噪聲的能力。
誤碼率（BER）:在數(shù)字通信系統(tǒng)中，動態(tài)相位噪聲會增加誤碼率，導致數(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，這一點變得更加明顯。
如何減輕動態(tài)相位噪聲？
為了減輕動態(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:用低加速度靈敏度晶體實現(xiàn)石英晶體振蕩器可以直接將系統(tǒng)中動態(tài)相位噪聲的影響降至最低。此外，仔細的元件選擇和電路布局可以顯著降低其他來源的噪聲貢獻，并隔離振蕩器的振動。
被動隔振:防震安裝是隔離振蕩器振動的最常用方法。通過改變防震座的剛度和有效載荷質(zhì)量，RF工程師可以設(shè)計出在較長頻率范圍內(nèi)衰減振動的系統(tǒng)。這導致相應(yīng)的動態(tài)相位噪聲降低。被動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，減震器會產(chǎn)生共振并放大振動內(nèi)容。盡管如此，這種方法可以很好地改善動態(tài)相位噪聲性能。

Wenzel了解動態(tài)相位噪聲1

圖2:被動隔振可以將動態(tài)相位噪聲的影響降至最低。

自舉: 這種技術(shù)由文澤爾Quantic公司的射頻工程團隊首創(chuàng)，使用兩個堅固的石英晶體振蕩器來補償動態(tài)相位噪聲。代表兩個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，以實時抵消振動引起的波動。

主動和被動振動補償:這種技術(shù)將基于加速度計和減震器的解決方案配對，以產(chǎn)生協(xié)同優(yōu)勢。主動振動補償利用加速度計檢測振蕩器的加速度，并直接消除其對動態(tài)相位噪聲的影響。與被動補償不同，主動補償在低頻時不受限制。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，從而顯著改善相位噪聲性能，見圖3。

Wenzel了解動態(tài)相位噪聲2

圖3:采用Microchip Technology 53100A相位噪聲分析儀測量的被動隔振和主動補償對OCXO恒溫晶振動態(tài)相位噪聲的綜合影響。

數(shù)字信號處理（DSP）:先進的DSP算法可以用來補償數(shù)字通信系統(tǒng)中的動態(tài)相位噪聲。相位估計、均衡和自適應(yīng)濾波等技術(shù)有助于減輕相位噪聲對數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟焕绊憽?/span>
自適應(yīng)濾波和均衡:在動態(tài)相位噪聲影響信號質(zhì)量的系統(tǒng)中，可以采用自適應(yīng)濾波和均衡技術(shù)來補償相位波動引起的失真。這些方法基于觀察到的相位噪聲特性主動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。
結(jié)論:

動態(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序要求嚴格的應(yīng)用中。了解其影響并實施適當?shù)木徑饧夹g(shù)對于保持準確的時序、頻譜純度和數(shù)據(jù)完整性至關(guān)重要。通過采用低相位噪聲設(shè)計實踐和緩解技術(shù)，RF工程師可以有效降低動態(tài)相位噪聲的影響，從而在惡劣環(huán)境條件下實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)性能。