一文解析相位噪声测试

【相位噪声定义】

频率不稳定性分为长期和短期不稳定性。长期不稳定性（又称漂移）描述了长时间内发生的频率变化。短期（几秒或者更短时间）频率不稳定性则分为两种类型：确定性和随机性。

确定性变化在频域中表现为不同的离散分量（也称为杂散），并且是待测件中周期性现象（例如电源线频率、振动频率或混频产物）的结果。

相位噪声是频域中描述具有连续、非周期性频谱的CW信号相位的随机变化。

【相位噪声测量】

绝对相位噪声

测量振荡器或合成器 - 对整个信号链路生成的信号进行的单端口测量（例如，由放大器、乘法器、混频器等整个RF链路组成的信号发生器）

残余相位噪声

这是器件对信号施加的加性相位噪声 - 它可以是合成器添加到本地参考振荡器的附加噪声，也可以是由乘法器、除法器、混频器、上/下变频器或放大器添加的相位噪声。

【相位噪声的参数/单位】

相位噪声测量涉及3 个重要参数：载波频率、载波频率偏置，以及相对于载波功率的功率谱密度。

dBm, dBc, dBc/Hz, 热噪声

dBc 是信号功率相对于载波信号功率的度量。 用于离散 CW 信号而非噪声功率

dBc/Hz 与 dBc 类似，只是归一化为1Hz测量带宽，因此称为功率谱密度 (PSD)，用于测量噪声功率。

dBm用于讨论相对于1mW 基准的绝对功率电平。该功率是绝对值，而非载波功率的相对值。

dBm/Hz 是1Hz带宽内测量的相对于1mW基准的功率谱密度。该功率是绝对功率，而非载波功率的相对值。该测量单位对应 kT热噪底。

热噪底

所有电子元件都会因其电荷载流子的动能而表现出热噪声（又称 kT 或 Johnson-Nyquist噪声）。 在连续波的情况下，这会成为具有相等功率 AM 和 PM噪声分量的调制噪声：-177 dBm/Hz（物理极限或“噪底”）。其总和就是熟知的290K时的-174 dBm/Hz。

【相位噪声测量方法】

直接频谱法

这种测量方法是测量相位噪声的经典方法：直接测量 CW 信号的频谱及其噪声边带功率。通常这种方法无法将 AM 噪声与 PM 噪声分开。现代相位噪声分析仪、信号分析仪、示波器和网络分析仪通过数字化和解调，将信号转换为幅度和相位，从而允许在仪器的数字化带宽内进行 AM/PM 分离。 多通道仪器能够进行互相关。

模拟鉴相器法

该方法使用双平衡混频器作为鉴相器来抑制载波并测量 RF 和 LO 端口之间的相位差。去除载波提高了 ADC 满量程或接收机前置放大器压缩水平的上限，因此，通过使用低噪声系数的基带LNA来放大检测到的相位噪声以优化系统灵敏度。与直接频谱方法相比，这可以大大提高初始灵敏度，但取决于参考源（ LO) 相位噪声性能。多通道仪器适合进行互相关操作。

互相关法

这并不是一种独特的测量方法，而是一种可以使用上述两种测量方法之一的技术。DUT 信号被分离并发送到两个独立的硬件通道，并在多次采集中计算交叉频谱、取平均值。两个通道（来自 DUT）相关或共有的噪声将被保留，不相关的噪声（由测量系统产生）将被去除。 互相关相位噪声分析仪的终极理论灵敏度是 kT 热噪底 - 代价是计算潜在的数十亿次采集数据所需的时间。

【相位噪声分析仪的关键指标】

初始测量系统灵敏度

对于非互相关相位噪声分析仪，灵敏度表示可以测量的最大动态范围（最小相位噪声）。对于互相关分析仪，这是初始灵敏度（下面的灰色阴影区域），它将随着相关增益而提高。

相关因子：1

时间：秒*1

相关增益

相关次数每增加10倍，相关增益在整个偏置范围内的初始灵敏度就会提高5dB，直到达到 kT 热相噪本底。

相关因子：10

时间：秒*10

达到初始灵敏度的测量时间

所有互相关相位噪声分析仪的相关增益处理方式相同。由于时间和相关次数成正比，因此达到初始灵敏度（通常是在最近端偏置处的初次相关）所需的时间将决定总测量时间，并允许在相位噪声分析仪之间进行同类比较。

频率范围和偏置频率

相位噪声分析仪的频率范围决定了可测量的 DUT 的中心频率。 现代相位噪声分析仪可以从直流（基带）到毫米波频率进行测量。

使用相位噪声分析仪可以测量近端（小频偏）相噪，这对于设计恒温晶振、确定OFDM信号相位噪声对 EVM 的贡献以及设计雷达系统尤其重要。

使用相位噪声分析仪测量远端（大频偏）相噪，对于确定相位噪声对宽带单载波和多载波应用的EVM的影响以及分析超宽带的高频时钟的相位噪声（抖动）非常重要。

输入功率范围

输入功率定义了测量的有效动态范围，因为相位噪声始终是噪声到载波的测量（相对于载波功率），以 dBc/Hz 为单位。

【相位噪声测量的主要应用场景】

数字通信

随着通信系统变得越来越复杂，带宽变得越来越宽，相位噪声对系统性能的影响也越来越明显。 对于宽带高阶调制格式，远端相位噪声通常是 EVM 的主要贡献者。

雷达系统

雷达系统需要出色的相位噪声性能，尤其是在近端频偏处。多普勒雷达的工作原理是测量由于目标移动而导致频移的回波信号。雷达本振的相位噪声最终会出现在目标回波信号和来自静止物体（例如大地）的非目标杂波反射信号上。 杂波信号上的此类相位噪声可以部分或完全屏蔽目标信号，具体取决于目标信号的电平和与载波的频率间隔。

OFDM正交频分复用

在现代通信系统中，某些 OFDM 信号使得子载波频率间隔非常紧密。这些载波会将其相位噪声延展到相邻载波上。在这种情况下，近端相位噪声对系统性能的影响至关重要。载波跟踪可以帮助缓解这种情况。

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• 互相关

• 模拟鉴相器

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信号分析仪

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• 绝对/AM/脉冲

• 输入频率：取决于信号分析仪频率

• 频率偏置：取决于信号分析仪

• 直接频谱法

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• 绝对/残余/AM/基带/瞬态/脉冲

• 输入频率：10MHz – 70GHz/125GHz

• 频率偏置：100mHz - 10 MHz

• 直接频谱法

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• 绝对/AM/基带

• 输入/偏置频率组合高达仪器的完整带宽

• 互相关

• AM/PM分离

• 直接频谱法

审核编辑：刘清