一、相位與相位噪聲

相位（Phase）：交流信號表達式A*sin(2πft + φ) 中的 φ為相位，描述的是“波形在時間軸上的位置”，它是一個瞬時量，單位是弧度（rad）。

圖1 正弦信號的相位

在實際系統(tǒng)中，由于噪聲的影響，信號的相位會發(fā)生隨機變化，導(dǎo)致波形出現(xiàn)畸變。這種相位的隨機變化在時域稱之為“抖動”在頻域稱之為“相位噪聲”，它會使信號的頻譜展寬，影響信號的傳輸和處理，一句話區(qū)分相位與相位噪聲：相位是“靜態(tài)位置”，相位噪聲是“位置的隨機晃動”。

圖2 理想與真實世界的信號在頻域與時域表現(xiàn)形式

相位噪聲（Phase Noise）：描述的是φ隨時間發(fā)生“快速、短期、隨機”的微小抖動，在頻域表現(xiàn)為載波頻譜的連續(xù)噪聲邊帶。在量化相位噪聲的眾多技術(shù)指標(biāo)中，最常用的測量指標(biāo)是“單邊帶(SSB) 相位噪聲”。

從數(shù)學(xué)角度來講，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)將其定義為“偏離載波頻率處單位帶寬內(nèi)的單邊帶信號功率與載波信號總功率的比值”，由此我們可以總結(jié)出單邊帶相位噪聲的三要素：頻偏、單位HZ以及相對于載波。

圖3 相位噪聲

圖4 SMB100B射頻信號源不同中心頻率下，偏離載波20kHz的相位噪聲

二、相位噪聲與抖動：時頻域的雙生子

上文我們提到過，相位噪聲與抖動是同一物理現(xiàn)象在不同維度上的表現(xiàn)形式，本質(zhì)均源于信號源的噪聲特性。

相位噪聲是從頻域角度出發(fā)，描述信號相位在頻率上的隨機波動特性，具體表現(xiàn)為信號頻譜在載波頻率附近的能量擴散，這種擴散會導(dǎo)致頻譜純度下降，常見于振蕩器、鎖相環(huán)等射頻與微波系統(tǒng)中。

抖動（Jitter）是從時域出發(fā)，定義為“信號的各個有效瞬時對其當(dāng)時的理想位置的短期性偏離”，比如數(shù)字電路中信號的上升沿或下降沿在時間軸上的不穩(wěn)定跳動，見下圖5。

圖5 抖動會導(dǎo)致接收機錯誤地解讀被傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

抖動源通常分為兩類：“有界”和“無界”

有界抖動源會在可識別的時間間隔內(nèi)達到最大和最小的相位偏差值。這類抖動也叫“確定性抖動（DJ）”；它們是由系統(tǒng)和與數(shù)據(jù)相關(guān)的（系統(tǒng)：輻射信號或傳導(dǎo)信號之間的串?dāng)_、散射效應(yīng)、阻抗失配，數(shù)據(jù)：碼間干擾、占空比失真、偽隨機、比特序列周期性）抖動源而引發(fā)的。

無界抖動源在任何時間間隔內(nèi)都不會出現(xiàn)最大或最小的相位偏差，而且至少理論上，它們的抖動幅度會趨于無窮大。這類抖動也會被歸類為“隨機抖動（RJ）”。它們會因為隨機噪聲源（熱噪聲、散粒噪聲、粉紅噪聲）而引發(fā)。

三、測試設(shè)備選擇

1.主流測試設(shè)備

1.時域、頻域抖動分析比較

測試信號：載波為1GHz，調(diào)制頻率為1MHz的調(diào)頻信號，且伴有0Hz至4MHz的加性噪聲，測試設(shè)備分別使用FSWP系列相位噪聲分析儀與RTO6示波器。

在圖6頂部，RTO6測量波形顯示為軌跡函數(shù)（TIE 伴隨時間的變化趨勢）。中間的圖顯示的是軌跡函數(shù)的FFT。這個FFT顯示為PJ的抖動頻譜，代表的含義是信號的總體抖動 (TJ)，單位為dBps。底部顯示測量到的TIE的柱狀圖。

圖6 RTO6示波器測試抖動

圖7是以dBc/Hz為單位顯示的FSWP的測量結(jié)果。FSWP還計算每個雜散的PJ、總PJ和相位噪聲譜的RJ（單位為ps）。

為了比較結(jié)果，將兩個測量結(jié)果的單位都轉(zhuǎn)換為ps。此外，RTO6的隨機抖動和FSWP的總體抖動使用以下公式進行計算：

TJ2=RJ2+PJ2

圖7 FSWP相位噪聲分析儀測試抖動

下表顯示了各個測量結(jié)果和差異，RTO6和FSWP結(jié)果幾乎完全相同。它們測量到的PJ的頻率相同，并且測量值的差異小于0.5ps。檢測到的RJ和TJ值的差異小于0.5ps。這種良好的一致性證明了這兩種儀器具有可比性。