相位噪声的两种定义与测试方法概述

一、相位噪声的频谱定义与测试方法

相位噪声是衡量振荡器短期频率稳定性的一个关键参数，它描述了振荡器输出信号的相位随时间的随机波动。在频谱上，相位噪声表现为载波频率周围的噪声边带。理解和测量相位噪声对于设计高性能的通信系统和信号处理电路至关重要。

相位噪声的频谱定义

相位噪声通常定义为在特定频率偏移（offset frequency）处，相对于载波功率的单边带噪声功率密度。

图 相位噪声的频谱定义示意图

相位噪声的测试方法

测量相位噪声的方法有多种，以下是几种常见的测试方法：

1. 直接频谱分析法：

使用频谱分析仪（Spectral Analyzer）直接测量载波附近的噪声边带。

*设置频谱分析仪的中心频率为振荡器的输出频率，并调整分辨率带宽（Resolution Bandwidth, RBW）以清晰地显示噪声边带。

读取特定频率偏移处的相位噪声水平，并将其转换为dBc/Hz。

2. 相位检测器法：

使用相位检测器（Phase Detector）和频谱分析仪组合来测量相位噪声。

相位检测器将振荡器的输出与一个参考信号进行比较，产生一个与相位噪声成正比的电压信号。

将这个电压信号输入到频谱分析仪中，分析其频谱成分以获得相位噪声的信息。

3. 延迟线法：

使用延迟线（Delay Line）和混频器（Mixer）来测量相位噪声。

将振荡器的输出信号通过一个延迟线，然后与原始信号一起输入到混频器中。

混频器输出的差频信号包含了相位噪声信息，通过分析这个信号可以计算出相位噪声。

4. 零拍法（Zero-Span Method）：

这是一种利用频谱分析仪的特殊测量技术，适用于测量非常接近载波的相位噪声。

将频谱分析仪的中心频率设置为振荡器的输出频率，并将分辨率带宽调至最小。

通过观察载波两侧的噪声峰值，可以获得相位噪声的估计值。

但是频谱仪测量相位噪声却有不少局限性：

· 测量灵敏度不高，受到频谱仪固有相位噪声的限制。因为频谱仪是超外差接收机结构，接收机本振的相位噪声限制了频谱仪测量相位噪声的灵敏度。

· 无法区分调幅噪声和相位噪声，因为两者都会引起频谱的展宽。

· 无法测量非常近载波的相位噪声，最小频偏受分辨率滤波器形状因子限制。

· 频谱仪动态范围也限制了相位噪声测量灵敏度。由于噪声功率与载波功率之间差别巨大，频谱仪的动态范围也限制了相位噪声测量灵敏度。

相位噪声的测试是一个复杂的过程，需要精确的仪器和正确的测量技巧。不同的测试方法适用于不同的应用和频率范围。在实际测量中，工程师需要根据振荡器的特性和所需的精度选择合适的测试方法。此外，测试环境的控制也很重要，例如温度、电源噪声和机械振动等因素都可能影响测量结果的准确性。因此，进行相位噪声测试时，应当在屏蔽良好的环境中操作，并采取适当的隔离措施以减少外部干扰。

二、相位噪声的相位定义与测试方法

相位噪声是指振荡器输出信号的相位随时间的随机波动，这种波动在频谱上表现为载波频率周围的噪声边带。相位噪声的存在对于许多精密电子设备和通信系统的性能有着显著影响，因此理解和测量相位噪声是电子工程中的一个重要方面。

相位噪声的相位定义

相位噪声通常定义为在特定频率偏移处，相对于载波功率的单边带噪声功率密度。

相位噪声的测试方法

测量相位噪声的方法有多种，以下是几种常见的测试方法：

1. 直接频谱分析法：

使用频谱分析仪（Spectral Analyzer）直接测量载波附近的噪声边带。

设置频谱分析仪的中心频率为振荡器的输出频率，并调整分辨率带宽（Resolution Bandwidth, RBW）以清晰地显示噪声边带。

读取特定频率偏移处的相位噪声水平，并将其转换为dBc/Hz。

2. 相位检测器法：

使用相位检测器（Phase Detector）和频谱分析仪组合来测量相位噪声。

相位检测器将振荡器的输出与一个参考信号进行比较，产生一个与相位噪声成正比的电压信号。

将这个电压信号输入到频谱分析仪中，分析其频谱成分以获得相位噪声的信息。

3. 延迟线法：

使用延迟线（Delay Line）和混频器（Mixer）来测量相位噪声。

将振荡器的输出信号通过一个延迟线，然后与原始信号一起输入到混频器中。

混频器输出的差频信号包含了相位噪声信息，通过分析这个信号可以计算出相位噪声。

4. 零拍法（Zero-Span Method）：

这是一种利用频谱分析仪的特殊测量技术，适用于测量非常接近载波的相位噪声。

将频谱分析仪的中心频率设置为振荡器的输出频率，并将分辨率带宽调至最小。

通过观察载波两侧的噪声峰值，可以获得相位噪声的估计值。

5.鉴相器法

鉴相器法通过鉴相器直接测量信号的相位时域波动，通过FFT变换得到频域描述的相位噪声。

图 2、鉴相器法测量相位噪声

鉴相器法可以结合锁相环自动锁定待测信号，实现自动测试。另外，鉴相器法可以结合互相关算法，使用两套独立的硬件从而大幅提高相位噪声的测量灵敏度。

鉴相器方法测量相位噪声的优点有：

· 可以区分调幅噪声和相位噪声

· 测量相位噪声的灵敏度大幅度提高，互相关算法可突破仪表自身相位噪声的限制。鉴相器的载波抑制效果可以回避动态范围问题。

· 可以测量近载波的相位噪声。

相位噪声的测试是一个复杂的过程，需要精确的仪器和正确的测量技巧。不同的测试方法适用于不同的应用和频率范围。在实际测量中，工程师需要根据振荡器的特性和所需的精度选择合适的测试方法。此外，测试环境的控制也很重要，例如温度、电源噪声和机械振动等因素都可能影响测量结果的准确性。因此，进行相位噪声测试时，应当在屏蔽良好的环境中操作，并采取适当的隔离措施以减少外部干扰。