频谱仪测量相位噪声方法概述

相位噪声的含义

相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。用一个振荡器信号来解释相位噪声。如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带。从下图中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。

相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。

相位噪声测量方法概述

目前行业内有如下6种常用的测试方法，具体如下：

1、 直接频谱测量方法

2、 鉴相器测量方法

3、 参考信号源/PLL 测量方法

4、 鉴频器测量方法

5、 外差 (数字) 鉴相器测量方法

6、 双通道互相关测量技术

本文主要介绍第一种——直接频谱测量方法

直接频谱法测量相位噪声

这是最简单最经典的相位测量技术。如图 2 所示，将被测件 (DUT) 的信号输入频谱仪/信号分析仪，将信号分析仪调谐到被测件频率，直接测量振荡器的功率谱密度 (f)。由于该方法对频谱密度的测量是在存在载波的情况下进行，因此频谱仪/信号分析仪的动态范围对测量范围有较大影响。

虽然不太适合测量非常靠近载波的相位噪声，但该方法可以非常方便地快速测定具有相对高噪声的信号源质量。测量在满足以下条件时有效:

● 频谱仪/信号分析仪在相关偏置时的本身 SSB 相位噪声必须低于被测件噪声。

● 由于频谱仪/信号分析仪测量总体噪声功率，不会区分调幅噪声与相位噪声，被测件的调幅噪声必须远低于相位噪声 (通常 10 dB 即可)。

下述的测试步骤是一种通用的具有频谱分析功能的分析仪测量相位噪声的测试步骤。

1. 将被测信号与分析仪连接好后，在分析仪上设置与被测信号频率相同的中心频率和适当的分析带宽（即频宽）；此步骤可以用分析仪“标记到中心频率”的标记功能，减小频宽，然后再使用“标记到中心频率”，直到载波信号在屏幕中央，频宽适当（频宽应等于或者略大于被测频偏的两倍）。
2. 在分析仪上设置合适的参考电平，参考电平设置应略大于或者等于被测载波信号的实际输出电平值。此步骤可以用分析仪“标记到参考电平”的标记功能。此过程中，如果被测载波信号功率较小，应该在保证信号不压缩的情况下，尽量采用小的衰减器档位。
3. 设置适当的分辨率带宽和视频带宽：如果分析仪的这两个参数处于自动关联设置状态可以免于操作，如果不是则需要手动设置，这两个参数不宜设置太大，太大了影响指标测量的准确度，但是太小了会影响测量速度。可以先选择较大的中频带宽，然后逐步减小，直至相位噪声的测量值不再减小为止。
4. 打开“轨迹平均”功能；打开“标记”、搜索“峰值”，然后打开“差值标记”，设差值标记值为拟测量频偏值，再从“标记功能”内打开噪声标记功能。当前标记显示的值即为载波信号在该频偏处的相位噪声值，单位为dBc/Hz。

测量的注意事项

1. 选用高性能信号分析仪或者频谱分析仪：尽量选用本底噪声低的分析仪，只有外部信号的相位噪声指标要比分析仪指标差时（差3dB以上），测量的结果才是正确的。直接频谱法不适合于更低噪底的高性能晶振或者频率源的测试。
2. 测量结果为组合噪声：测量结果是调幅和调频噪声的总和，为了精确测量相位噪声，一般要求被测信号的调幅噪声要比调频噪声小得多（小10dB以上），测量结果基本为相位噪声。
3. 注意分析仪的动态范围对测量的影响：动态范围代表了分析仪的测量范围，其下限取决于分析仪自身灵敏度和相位噪声，其上限取决于1dB压缩点。
4. 减少外界环境对测量结果的影响：信号的频谱漂移会给相噪量结果带来很大的误差，甚至无法测量。被测设备和测量仪器在测量进行前都需要充分预热使其达到稳定的工作状态，分析仪的预热时间通常要求大于10分钟。仪器连接要牢固，尽量避免振动，测量时最好把仪器放置在能吸收振动的防振垫上，减少或者消除振颤噪声。为了减少外界环境对测量结果的影响，有条件的地方最好在屏蔽室内测量。
5. 注意对测量结果的修正：大多数采用模拟中频的老式频谱分析仪都采用对数中频放大器和峰值检波器，需要在原有的测量结果上需加上2.5dB。