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改进的DAC相位噪声测量以支持超低相位噪声DDS应用

改进的DAC相位噪声测量以支持超低相位噪声DDS应用

简介
在雷达应用中,相位噪声是要求高杂波衰减的系统的关键性能指标。相位噪声是所有无线电系统都会关心的问题,但是雷达相比通信系统来说特别要求非常靠近载波频率的频偏位置的相位噪声性能。

这些高性能系统中的系统设计人员将选择超低相位噪声振荡器,并且从噪声角度来讲,信号链的目标就是使振荡器相位噪声曲线的恶化最小。这就要求对信号链上的各种元器件做残余或加性的相位噪声测量。

最近发布的高速数模转换器(DAC)产品对于频率转换阶段需要的任何LO的波形生成和频率创建都非常有吸引力。然而,雷达目标会挑战DAC相位噪声的性能。


图1. AD9164相位噪声的改进



在本文中,我们将展示AD9164 DAC在10KHz 频偏处超过10dB的改进的测量结果。改进如图1所示,并且我们将会讨论如何通过结合电源稳压器选择和测试设置改进来达到这一结果。

相位噪声定义
相位噪声是周期信号过零点偏差的测量。考虑有相位波动的余弦波




相位噪声可以通过相位变化的功率谱密度来确定




就线性而言,单边相位噪声定义为




相位噪声 通常以10log(L(f))的dBc/Hz为单位来表示。然后可以将相位噪声数据绘制到相对RF载波的偏移频率中。


图2. 相位噪声绘图方法



相位噪声进一步的重要定义就是绝对相位噪声和残余相位噪声。绝对相位噪声是系统中测量的总相位噪声。残余相位噪声是测试设备的加性相位噪声。这种区别在测试设置和确定系统中元件级别相位噪声贡献的过程中至关重要。

DAC/DDS相位噪声测量方法
本部分图表显示DDS相位噪声测试设置。对于DAC相位噪声测量,可以设想将DAC作为直接数字频率合成器(DDS)子系统的一部分。DDS是通过将与DAC通信的单片IC或FPGA或ASIC中的数字正弦波模式送给DAC来实现。在现代DDS设计中,数字相位误差可以远低于DAC误差,而且DDS相位噪声测量通常受限于DAC的性能。

最简单和最常见的测试设置如图3所示。一个时钟源用于DDS并且DDS的输出馈入到一个互相关类型的相位噪声分析仪 。由于只需要一个DDS,所以很容易实现。然而,在这样的测试设置下,没有办法提取振荡器的贡献以便仅仅显示DDS的相位噪声。

图3. 绝对相位噪声DDS测试设置包含DAC和振荡器噪声



图4显示了两种常用的方法用来从测量中去除振荡器的相位噪声,提供残余噪声测量。这些测量方法的缺点在于,在测试设置中需要额外的DAC。但是,优点是可以应用于系统级分析预算,作为DAC相位噪声贡献的一种非常好的指标。


图4a. 使用鉴相器方法的DDS残余相位噪声测量



图4a显示的是鉴相器方法。这种情况下,使用两个DAC,将两个DUT都下变频至DC,可以减去振荡器的贡献。


图4b. 使用互相关方法测量DDS残余相位噪声



图4b显示的是使用互相关相位噪声分析的方法。这种情况下,DDS2和DDS3可以用于将时钟贡献转换到测量的LO端口,在互相关算法中去除它们的贡献,并在测量中获取DDS1残余相位噪声。

电源噪声贡献
在低噪声模拟和RF设计中,电源噪声是公认需要考虑的因素。电源纹波会周期性的调制到RF载波并在RF载波的频偏等于纹波频率的地方产生杂散。稳压器1/f噪声也会调制到RF载波中,并体现在相位噪声曲线中。图5显示了这些原理。


图5. 电源缺陷调制到RF载波上。



测量结果
在研究DAC真正的相位噪声性能的过程中,需要同时考虑测试设置和稳压器的噪声性能。
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