振荡器相位噪声的分析和建模

论文摘要

振荡器是现代通信设备和军用雷达等设备中重要的电路模块,而相位噪声作为振荡器最重要的性能指标具有重要的研究价值。所以建立准确简单的相位噪声模型,用来指导低相位噪声振荡器的设计,在改善现代通信质量和雷达性能方面具有重要意义。经过学者多年的研究,已经产生一些很有价值的模型,一方面我们要研究这些已有的模型,修正其中的不完善之处,另一方面要构建新的模型。因为相位噪声建模需要丰富的工程经验和深厚的理论指导,所以国内的相位噪声研究起步晚,层次也比较低,主要是学习吸收有价值的模型,和对模型的局部修正。国内对于常见D.B.leeson的简单模型和A.Demir等人复杂的非线性扰动模型已经有所了解,但对于本文新的非线性既简单又准确的相位噪声分析方法确知之甚少。所以本文对这种新的方法进行了详细的阐述与验证,以便让更多的人关注和完善这种相位噪声分析方法。论文的一开始对什么是相位噪声进行了详细的论述,相位噪声反映了频率源的频率纯度,是时域里相位抖动在频率里面的表述,并建立了时域抖动与相位噪声之间的转换关系,接着通过几个电路的实例说明了相位噪声对电路的影响,从而证明了相位噪声研究的必要性。然后介绍了国外相位噪声的研究历史,从国外的研究历史中可以知道相位噪声的研究目标,总的来说,随着模型的准确性不断提高,其研究的目标已经逐渐向模型的简化方向发展。针对特定的振荡器电路,通过深刻地认识电路,进而提出简单准确的模型成为现在研究相位噪声的主要目标。然后,论文按照模型的准确性依次介绍了几种被广泛应用的相位噪声分析模型,通过对每一种模型的详细推导,展现出每一种模型的优点及其存在的不足之处,从第一种线性时不变的简单经验模型到后面完善的非线性时变模型,模型逐步得到优化,变得非常准确,但由于需要对对电路进行抽象和引入大量的数理统计知识,使分析的过程更加复杂,超出了一般电路设计工程师的掌握能力。在前人的研究基础上,针对现有的相位噪声分析方法存在的不足之处,引入了非线性相位噪声分析方法。这种分析方法虽然只能适用于LC振荡器的分析,但是非常简单且易于理解。非线性相位噪声分析方法通过引入电路中的一些重要原理,使得分析的过程大大简化,非常适用于指导工程设计。通过一系列的理论推导,最终可以得到不含经验参数的相位噪声解析式,由于不含需要仿真或测量才能得到的参数,所以既可以用来计算电路的相位噪声,又可以用来指导如何降低相位噪声。接着论文通过实际的电路仿真对非线性模型进行了仿真验证,证明了这种分析方法的有效性,由于这种非线性分析方法得到了相位噪声的解析公式,那么很自然就可以用来指导分析如何降低相位噪声,论文通过分析指出了几种降低相位噪声的方法,通过模型分析结果与仿真结果的比较,再次证明了非线性相位噪声分析方法的合理性与价值。最后作者对非线性相位噪声分析方法进行了总结,并对LC振荡器电路中的时变特性与非线性的重要性进行了比较,指出了在某些振荡器如LC交叉耦合振荡器中非线性应该比时变特性更重要,从而认为非线性相位噪声分析方法具有重要的研究价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 振荡器的相位噪声及其研究意义
• 1.1.1 振荡器的相位噪声
• 1.1.2 振荡器相位噪声的研究意义
• 1.2 振荡器相位噪声的研究现状
• 1.3 本论文的组织结构
• 第二章 相位噪声分析方法
• 2.1 Leeson的线性时不变模型
• 2.2 Hajimiri的线性时变模型
• 2.3 Demir的线性扰动模型
• 2.4 Demir-Mehrotra的非线性扰动模型
• 第三章 非线性相位噪声分析
• 3.1 噪声的幅度调制与相位调制
• 3.2 振荡器的稳态分析
• 3.3 相位噪声分析
• 3.3.1 谐振网络的噪声
• 3.3.2 差分耦合对的噪声分析
• 3.3.3 尾电流的噪声分析
• 3.3.4 总的相位噪声
• 第四章 非线性相位噪声模型的验证
• 4.1 相位噪声模型的验证
• 4.2 降低振荡器的相位噪声
• 4.2.1 谐振网络参数与相位噪声的关系
• 4.2.2 尾电流的大小与相位噪声
• 4.2.3 偏置管尺寸与相位噪声的关系
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文