使用频谱分析仪测量相位噪声方法解析

当今的频谱分析仪提供了一种非常有效的方法，可以轻松准确地测试相位噪声，并且比使用其他形式的电子测试仪器的方法更容易、更准确。

这些电子测试仪器通常设计有程序集成到软件中，以使测试更加容易。与使用不同形式的测试设备的其他方法相比，频谱分析仪不仅提供了一种更方便的相位噪声测量方法，而且通常更准确。

相位噪声作为许多射频器件的一个参数越来越重要，因为相位噪声性能差不仅会导致数据误差增加，而且还会对其他信道上的用户造成干扰。

因此，在设计阶段，需要对许多不同类型的电子设备进行相位噪声测量。它可以适用于从移动电话到用于物联网、物联网、短距离无线、无线电通信设备等的节点/单元等物品。

由于可能需要进行相位噪声测量的项目种类繁多，因此需要一种便捷的方法来实现这一目标，而频谱分析仪是满足这一需求的理想测试仪器。

什么是相位噪声

相位噪声是由任何信号上存在的短期相位波动引起的。这称为相位抖动，直接以弧度为单位进行测量。

相位抖动在信号上表现为边带，分布在主信号的两侧。这被称为单边带相位噪声，当以这种方式观察时，它更容易可视化和测量。

相位噪声之所以重要，原因如下：

降低数据传输性能：大多数数据传输（如用于蜂窝通信、Wi-Fi 和许多其他应用的数据传输）都使用调制形式，这些形式使用相位作为调制技术的一部分或全部。任何相位噪声都会降低不同状态之间的裕量，并影响信号裕量和由此产生的误码率。这意味着对于任何本振来说，具有良好的相位噪声性能非常重要。

邻道干扰：相位噪声扩散到主信号的任一侧，并可能落入附近的信道中，从而对其他用户造成干扰。因此，杂散发射（包括相位噪声）必须保持在一定限值以下，以确保不会出现干扰问题。

电信系统内的定时：相位噪声至关重要的另一个领域是振荡器用于定时控制。相位噪声性能在许多领域都是关键，包括电信网络，在这些领域中，相位噪声引起的抖动可能会开始增加数据错误并导致其他问题。

相位噪声测量为给定带宽内的噪声功率。标准是 1Hz 带宽。虽然可以在更宽的带宽下进行测量，但可以很容易地将其转换为1Hz带宽的值。

除此之外，噪声值还与载波电平有关。载波上的给定分贝数。表示这一点的标准缩写是 dBc。

最后，必须说明与载波的偏移量，因为噪声水平会随着载波偏移量的变化而变化。

这是一个典型的规格，以给定频率偏移下 1Hz 带宽下载波的分贝来表示，即 xx kHz 偏移时的 dBc / Hz。

测量相位噪声的先决条件

使用频谱分析仪进行任何相位噪声测量的主要要求是，与扫描速率相比，它必须具有较低的漂移水平。如果振荡器漂移水平过高，则测量结果无效。

这意味着该技术非常适合测量频率合成器的相位噪声电平，因为它们被锁定在一个稳定的基准上，并且漂移电平非常低。

许多自由运行的振荡器不够稳定，无法使用这种技术。通常，它们需要以某种方式锁定到参考，这将改变至少部分频谱的相位噪声特性。

除此之外，频谱分析仪的相位噪声性能必须优于被测物，否则测试将测量频谱分析仪的相位噪声特性。

虽然它不是必需的，但如果频谱分析仪具有用于相位噪声测量的内置例程，则会有所帮助。许多现代测试仪器都内置了这些例程，t 可以提供很大的帮助。　

　如何使用频谱分析仪测量相位噪声

虽然测量相位噪声的方法有很多种，但最直接的方法就是使用频谱分析仪。

从本质上讲，分析仪通过任何合适的衰减器连接到被测单元的输出端，以降低分析仪的功率（如果被测单元的输出功率很高）。

在某些情况下，可能需要将分析仪和被测单元的振荡器标准锁定在一起。这样就不会有信号漂移，这可能是测量接近的问题。

然后，将分析仪设置为测量载波输出的信号电平 - 通常可能从载波输出到1 MHz或更高的频率。理想情况下，噪声已达到本底噪声。

必须设置分析仪的带宽，以便在扫描分辨率和扫描时间之间取得良好的平衡。然后可以将噪声电平转换为1Hz带宽中的噪声电平。

　　分析仪过滤器和检测器特性

频谱分析仪的滤波器和检波器特性对相位噪声测量结果有影响。

其中一个关键问题是频谱分析仪中使用的滤波器的带宽。分析仪没有 1 Hz 滤波器，即使使用 1 Hz 带宽滤波器进行测量也需要很长时间才能完成。因此，使用更宽的滤波器，并将噪声电平调整到使用1 Hz带宽滤波器时的水平。

可以使用一个简单的公式来调整滤波器带宽：

其中：

L1赫兹= 1 Hz带宽内的电平，即归一化为1 Hz，通常以dBm

L为单位滤线= 滤波器带宽中的电平，通常以 dBm

BW 为单位 = 测量滤波器的带宽，单位为 Hz

由于滤波器的形状不是完全的矩形形状，并且具有有限的滚降，因此这对在1Hz带宽内给出噪声的转换有影响。通常，需要结合使用中的滤波器的已知因素，以确保正确的转换。

检测器的类型也有影响。如果使用采样检波器代替RMS检波器，并且在窄带宽或多次测量中对迹线进行平均，则发现噪声的权重过低。

对这些因素和任何其他因素的调整通常在频谱分析仪中进行，并且通常在软件功能中包含特殊的相位噪声测量设置。

　　相位噪声测量注意事项

使用频谱分析仪测量相位噪声时，需要记住一些重要的预防措施

确保不会拾取外部噪音：频谱分析仪测量的是单边带相位噪声，因此存在的任何幅度噪声都会增加噪声，从而降低结果。确保分析仪无法拾取外部噪声：

使用筛选的线索：所有信号连接均使用屏蔽引线

远离噪音源：确保测试系统（包括被测单元）远离任何干扰源。由于某些频率的信号电平非常低，因此即使是少量的拾取也会导致错误的结果

有屏风的房间？如果有射频屏蔽室，则可以使用它来执行测试，确保不会受到干扰。

从正确的电源运行被测设备：电源可以显著改变RF电路的噪声性能。确保使用设备的电源，或至少使用性能水平相同的电源。开关电源通常比模拟线性电源产生更多的噪声，因此应记住这一点。

确保分析仪性能合适：有两个主要问题;即频谱分析仪相位噪声本身，以及动态范围性能：

频谱分析仪相位噪声性能：对于相位噪声水平非常低的信号，被测设备可能会接近分析仪的性能。在这种情况下，分析仪内振荡器的相位噪声将与被测信号的相位噪声相加，这将使结果失真。为防止这种情况，请确保分析仪的相位噪声性能至少比被测单元的相位噪声性能好 10dB。

频谱分析仪动态范围：频谱分析仪的动态范围性能也必须足够。分析仪必须能够适应载波电平以及离载波较远的极低噪声水平。很容易检查热噪声是否是一个问题。可以获取和存储信号源的相位噪声迹线。使用完全相同的设置，但没有信号，可以重复测量。如果在感兴趣的偏移处两者之间存在明显差异，则测量不会受到分析仪热噪声的不当影响。

使用这些预防措施和任何其他可能适当的预防措施，可以确保在使用频谱分析仪测量相位噪声时能够获得一些非常好的结果。

频谱分析仪是进行相位噪声测量的理想测试仪器。由于许多现代高性能分析仪已经结合了在任何射频设计或测试场景中进行这些测试的例程，因此测量不仅易于进行，而且可靠。

鉴于相位噪声测量的严苛性，主要是高端测试仪器可以进行这些测量并内置例程。然而，只要了解测试的局限性，就可以谨慎使用其他低端频谱分析仪来估计电路、模式和系统的相位噪声性能。

审核编辑：黄飞