在现代通信、雷达、精密仪器等高频电子系统中，信号源的相位噪声是决定系统性能的关键指标之一。相位噪声的恶化会导致通信误码率升高、雷达分辨率下降，甚至影响仪器测量的准确性。而直接数字频率合成器（DDS）作为广泛应用的频率源，其输出信号的相位噪声特性与其输入时钟质量密切相关。本文采用天穹电子的TQSRO-C50型蓝宝石振荡器（Sapphire Resonator Oscillator）（简称SRO）作为DDS时钟源，TQSRO-C50是一款输出10GHz点频的振荡器，将10GHz分频为5GHz后作为DDS的时钟输入，测试结果表明DDS输出的任意频点相位噪声均有明显提升，显著改善系统性能。

一、相位噪声的重要性与DDS的时钟依赖

直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis，简称DDS)技术采用数字DA转换得到所需的模拟信号，可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。采用这种方法设计的信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形，获得广泛应用。相位噪声（Phase Noise）是衡量信号源频谱纯度的核心参数，其本质是信号频率的短期随机波动。对于DDS而言，其输出信号的相位噪声主要由两个因素决定：

1、DDS芯片内部噪声：包括数字量化噪声、DAC转换误差等；

2、外部参考时钟的相位噪声：

时钟源的相位噪声会通过DDS的锁相环（PLL）或直接传递到输出端，成为系统噪声的“天花板”。

实验表明，在DDS输出频率接近时钟频率的情况下，输出信号的相位噪声几乎与时钟源保持一致。因此，选择低相位噪声的时钟源是优化DDS性能的最直接手段。

二、蓝宝石振荡器的技术优势

蓝宝石振荡器是一种基于蓝宝石介质谐振器（Sapphire Dielectric Resonator, SDR）的高性能振荡器，其核心优势在于超低相位噪声和卓越的频率稳定性，具体体现在以下方面：

1. 高Q值蓝宝石谐振腔

蓝宝石晶体（Al₂O₃）的Q值（品质因数）可达十万量级，远超普通介质谐振器。高Q值意味着谐振腔的能量损耗极低，能够有效抑制热噪声和随机相位抖动，从而在频域上表现为更陡峭的频谱和更低的近端相位噪声（如10kHz偏移处的噪声可低至-148 dBc/Hz）。

2. 低热漂移特性

蓝宝石的热膨胀系数极低（约5×10⁻⁶/℃），结合恒温控制电路（OCXO或恒温控制技术），其频率温度稳定性可达0.1ppm（千万分之一）量级。这一特性确保在宽温范围内相位噪声性能几乎无劣化。

3. 抗干扰与长期稳定性

TQSRO-C50采用全密封结构，对电磁干扰（EMI）和机械振动不敏感，长期老化率低至0.5ppb/天，适用于恶劣环境下的长期可靠运行。

TQSRO-C50是由长沙天穹电子科技有限公司研制的国内首款商业化蓝宝石振荡器货架产品，比国外类似产品体积小40%以上，可广泛应用于各种高精度信号发生领域。

图一为自由振荡的TQSRO-C50与传统介质振荡器输出信号相噪比对图，可见，TQSRO-C50在偏离载波1kHz到1MHz的相位噪声较低，其在10kHz~100kHz处的相位噪声要低20dBc左右，具有明显的优势。TQSRO-C50可以被参考信号锁定，通过锁定可以进一步降低2kHz以内的相位噪声，试验表明，通过锁定可实现<-126dBc/Hz@1kHz的相位噪声，满足对近端相噪有需求的场合。

三、蓝宝石振荡器+DDS：性能提升的实测验证

以某款高性能支持6GSPS更新速率的直接数字合成器DDS芯片为例，该DDS芯片支持高达7.5GHz的RF信号合成。分别采用E8257D和TQSRO-C50作为时钟源，测试其输出任意频点的相位噪声。由于该DDS芯片输入时钟频率不能超过5GHz，将TQSRO-C50输出的10GHz分频为5GHz后输入至DDS芯片。然而由于分频器的噪声，分频后远端相位噪声恶化约15dB。

由于DDS芯片输入时钟频率不能超过6GHz，将TQSRO-C50的输出通过二分频得到5GHz，再将5GHz信号输入至DDS芯片。通过FPGA控制DDS芯片分别产生1.6GHz，3.2GHz，4.8GHz信号，其测试结果如图2中蓝线所示。也采用信号源E8257D产生5GHz信号作为DDS时钟信号，输出结果如图2中绿线所示。

(a) 1.6GHz信号

(b) 3.2GHz信号

(c)  4.8GHz信号

 图2 DDS输出的多频点信号

表1  DDS输出的多频点信号测试数据对比

数据表明，蓝宝石振荡器的使用使DDS输出信号的相位噪声在偏离载波10kHz~100kHz范围降低10dB以上，显著提升了信号的频谱纯度。如果能改善分频带来的相噪恶化，性能指标还能进一步提升。在雷达系统中，这一改进可将目标检测距离提升20%以上；在5G通信中，则能有效降低相邻信道干扰，提升吞吐量。

四、典型应用场景

相控阵雷达系统：低相位噪声时钟确保波束形成的精确性，提升多目标分辨能力。

卫星通信上行链路：减少载波泄露，提高调制精度和频谱效率。

量子计算控制信号源：满足超导量子比特对极低噪声时钟的苛刻需求。

高精度测试仪器：如矢量网络分析仪（VNA），提升动态范围和测量重复性。

五、结语

蓝宝石振荡器凭借其革命性的低相位噪声特性，为DDS系统提供了“纯净”的时钟基准，成为高频高精度应用的理想选择。随着6G通信、太赫兹技术和量子信息领域的快速发展，对信号源性能的要求将持续攀升，而蓝宝石振荡器技术的创新迭代，无疑将为下一代电子系统奠定坚实的基础。