作者：Peter Delos and Jarrett Liner

在雷達(dá)應(yīng)用中，相位噪聲是需要高雜波衰減的系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。相位噪聲是所有無線電系統(tǒng)關(guān)注的問題，但雷達(dá)尤其需要相位噪聲性能，頻率偏移比通信系統(tǒng)更接近載波。

這些高性能系統(tǒng)中的系統(tǒng)設(shè)計人員將選擇超低相位噪聲振蕩器，從噪聲角度來看，信號鏈的目標(biāo)是將振蕩器相位噪聲曲線的退化降至最低。這需要對信號鏈中的各種元件進(jìn)行殘余或附加相位噪聲測量。

最近發(fā)布的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）對于頻率轉(zhuǎn)換級所需的任何LO的波形生成和頻率創(chuàng)建都極具吸引力。然而，雷達(dá)物鏡對DAC相位噪聲性能提出了挑戰(zhàn)。

圖1.AD9164相位噪聲改善

在本文中，我們將展示使用AD9164 DAC在10 kHz失調(diào)下測得的改進(jìn)超過10 dB。圖1顯示了改進(jìn)情況，我們將討論如何通過電源穩(wěn)壓器選擇和測試設(shè)置改進(jìn)的組合來實現(xiàn)結(jié)果。

相位噪聲定義

相位噪聲是周期信號過零偏差的量度。考慮具有相位波動的余弦波

相位噪聲由相位變化的功率譜密度確定

線性術(shù)語中，單側(cè)相位噪聲定義為

相位噪聲通常以dBc/Hz為單位表示，從10log（L（f）開始）。然后繪制相對于RF載波的偏移頻率的相位噪聲數(shù)據(jù)。

圖2.相位噪聲圖法。

相位噪聲的一個重要進(jìn)一步定義是絕對相位噪聲與殘余相位噪聲。絕對相位噪聲是在系統(tǒng)中測量的總相位噪聲。殘余相位噪聲是被測器件的附加相位噪聲。這種區(qū)別在測試設(shè)置和確定系統(tǒng)中組件級相位噪聲貢獻(xiàn)的過程中變得至關(guān)重要。

DAC/DDS 相位噪聲測量方法

本節(jié)中的圖說明了DDS相位噪聲測試設(shè)置。對于DAC相位噪聲測量，假設(shè)DAC用作直接數(shù)字頻率合成器（DDS）子系統(tǒng)的一部分。DDS通過數(shù)字正弦波模式實現(xiàn)到DAC，該DAC可以位于單片IC中，也可以是FPGA或ASIC與DAC通信。在現(xiàn)代DDS設(shè)計中，數(shù)字相位誤差可以遠(yuǎn)小于DAC誤差，DDS相位噪聲測量通常受到DAC性能的限制。

最簡單和最常見的測試設(shè)置如圖3所示。時鐘源用于DDS，DDS輸出饋送到互相關(guān)型相位噪聲分析儀。這很容易實現(xiàn)，因為只需要一個 DDS。但是，使用此測試設(shè)置，無法提取振蕩器貢獻(xiàn)以僅顯示DDS相位噪聲。

圖3.絕對相位噪聲 DDS 測試設(shè)置包括 DAC 和振蕩器噪聲。

圖4顯示了從測量中消除振蕩器相位噪聲的兩種常用方法，從而提供殘余噪聲測量。測量的缺點是測試設(shè)置中需要額外的DAC。但是，其好處是可以更好地指示DAC相位噪聲貢獻(xiàn)，可以應(yīng)用于系統(tǒng)級分析預(yù)算。

圖4a.DDS使用鑒相器方法測量殘余相位噪聲。

圖4a顯示了鑒相器方法。在這種情況下，使用兩個DAC，振蕩器的貢獻(xiàn)在下變頻至直流時從兩個DUT中減去。

圖4b.DDS使用互相關(guān)法測量殘余相位噪聲。

圖4b顯示了使用互相關(guān)相位噪聲分析的方法。在這種情況下，DDS2和DDS3用于將時鐘貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)換為測量的LO端口，在互相關(guān)算法中去除它們的貢獻(xiàn)，并在測量中獲得DDS1殘余相位噪聲。

電源噪聲貢獻(xiàn)

在低噪聲模擬和RF設(shè)計中，電源噪聲是需要考慮的眾所周知的因素。周期性調(diào)制到RF載波上的電源紋波，并在等于紋波頻率的頻率偏移處在RF載波上產(chǎn)生雜散。穩(wěn)壓器1/f噪聲也會調(diào)制到RF載波上，并影響相位噪聲曲線。圖 5 說明了這些原理。

圖5.調(diào)制到RF載波上的電源缺陷。

測量結(jié)果

在研究真正的DAC相位噪聲性能時，考慮了測試設(shè)置和穩(wěn)壓器噪聲性能。

最初的DAC評估板包括用于模擬和時鐘電壓的ADP1740穩(wěn)壓器。將噪聲頻譜密度與最近發(fā)布的超低噪聲穩(wěn)壓器進(jìn)行了比較，并選擇了ADM7155。圖6顯示了產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中所示的噪聲密度比較。電源修改只是將ADM7155用于AD9164時鐘（數(shù)據(jù)手冊引腳VDD12_CLK）和模擬電壓（數(shù)據(jù)手冊引腳VDD12A）。

圖6.穩(wěn)壓器噪聲密度比較。請注意Y軸單位——ADM7155改進(jìn)了一個數(shù)量級。

接下來，考慮殘余相位噪聲測量的測試設(shè)置選項。羅德與施瓦茨FSWP選擇互相關(guān)方法主要是出于可用性和便利性。使用的測試設(shè)置如圖7所示。

圖7.AD9164相位噪聲測量的測試設(shè)置

圖8.AD9164 800 MHz輸出相位噪聲比較

圖 8 是三種情況的測量結(jié)果。采用絕對相位噪聲方法進(jìn)行的初始評估板測量結(jié)果顯示為紅色曲線。淺藍(lán)色曲線也是絕對測量值，但隨著調(diào)節(jié)器的改進(jìn)。深藍(lán)色曲線是殘余相位噪聲測量值，還包括穩(wěn)壓器改進(jìn)。

測量表明初始測量中有三個一般限制區(qū)域，這些區(qū)域在調(diào)查開始時并不明顯。低于1 kHz的頻率受到時鐘源噪聲接近的限制。1 kHz至100 kHz的頻率受到穩(wěn)壓器選擇的限制。100 kHz以上的頻率受到時鐘源的限制。10 MHz以上的急劇下降是時鐘源的貢獻(xiàn)，因為使用的時鐘是產(chǎn)生6 GHz的乘法晶體振蕩器，滾降來自乘法級中使用的RF濾波器。

在額外的DAC頻率下進(jìn)行了穩(wěn)壓器改進(jìn)的殘余相位噪聲測量，圖9總結(jié)了幾個。這些修改在多個評估板上重復(fù)，所有案例都顯示出相同的改進(jìn)結(jié)果。

Figure 9. AD9164 residual phase noise measurements with low noise regulator improvement.

具有類似噪聲密度的超低噪聲穩(wěn)壓器系列如表1所示。如圖所示，對DAC相位噪聲的影響很大，對于RF系統(tǒng)中需要最佳相位噪聲性能的任何區(qū)域，也建議考慮這些影響。

總結(jié)

對基本定義、絕對與殘余相位噪聲、DAC相位噪聲測量測試設(shè)置和穩(wěn)壓器噪聲貢獻(xiàn)進(jìn)行了相位噪聲審查。

通過包括殘余相位噪聲測試方法和最佳穩(wěn)壓器選擇，證明了DAC相位噪聲的改善。最終結(jié)果是，當(dāng)模擬電壓和時鐘電壓由ADI公司的低噪聲穩(wěn)壓器系列供電時，AD9164現(xiàn)在成為基于DDS的超低相位噪聲應(yīng)用的使能器。

審核編輯：郭婷