解析相位噪声测试

【相位噪声定义】

频率不稳定性可区分为长期与短期两种类型。长期不稳定性，亦称漂移，指的是在较长时间跨度内发生的频率变化现象。而短期不稳定性，通常涉及几秒钟或更短时间内的波动，则进一步细分为确定性和随机性两类。

确定性变化在频域中体现为特定的离散分量，即所谓的杂散信号，它们通常是被测设备内部周期性因素（如电源线频率、振动频率或混频产物等）导致的结果。

 

另一方面，相位噪声则用于描述频域中连续且非周期性的载波信号相位所发生的随机变化，它反映了信号稳定性的另一层面。

 

 

【相位噪声测量】

 

绝对相位噪声

对振荡器或合成器进行测量时，指的是对整个信号链路生成的信号执行单端口测量。这包括评估由一系列组件如放大器、乘法器、混频器等组成的完整RF链路所产生信号的性能。这种测量方式适用于信号发生器的整体输出评估，确保从信号源到最终输出的各个环节均达到设计要求和预期标准。通过这种方式，可以全面分析信号的纯度、稳定性和其他关键特性。

 

残余相位噪声
 

残余相位噪声指的是器件对信号引入的加性相位噪声。具体来说，这种噪声可以是由合成器添加到本地参考振荡器上的额外噪声，也可以是由乘法器、除法器、混频器、上/下变频器或放大器等组件引入的相位噪声。这类噪声影响信号的纯净度和稳定性，是衡量器件性能的一个重要指标。理解并最小化残余相位噪声对于优化通信系统和其他依赖高精度信号处理的应用至关重要。

 

 

【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
 

所有电子元件由于电荷载流子的动能都会产生热噪声，这种噪声也被称为Johnson-Nyquist噪声或kT噪声。在连续波的情形下，这种噪声表现为具有相等功率的幅度调制（AM）和相位调制（PM）噪声分量，其强度达到了物理极限，即所谓的“噪底”，为-177 dBm/Hz。当计算总的噪声水平时，在290K（室温）条件下，这一数值则为熟知的-174 dBm/Hz。这一参数是衡量系统性能的关键指标之一，尤其是在高灵敏度接收器和其他需要高度信号纯净度的应用中尤为重要。

 

 

【相位噪声测量方法】

 

直接频谱法
 

这种测量方法代表了测量相位噪声的经典途径，即直接评估连续波（CW）信号的频谱及其噪声边带功率。传统上，这种方法难以区分幅度调制（AM）噪声和相位调制（PM）噪声。然而，现代相位噪声分析仪、信号分析仪、示波器以及网络分析仪通过采用数字化和解调技术，将信号分解为幅度和相位分量，从而实现在仪器的数字化带宽内对AM和PM噪声进行分离。此外，多通道仪器能够执行互相关处理，进一步增强了噪声分析的精确度和可靠性。这一进步使得我们能够更细致地了解信号的特性，并改进了各类电子设备的性能评估与优化工作。

 

模拟鉴相器法
 

此方法采用双平衡混频器作为鉴相器，用以抑制载波并测量RF和LO端口间的相位差。通过去除载波，这种方法提升了ADC满量程范围或接收机前置放大器的压缩电平上限。为了优化系统灵敏度，可通过使用具有低噪声系数的基带低噪声放大器（LNA）来放大检测到的相位噪声。相较于直接频谱分析方法，这种技术能够显著提高初始测量灵敏度，不过其效果高度依赖于参考源（即LO）的相位噪声性能。此外，多通道仪器能够执行互相关操作，这进一步增强了测量精度和可靠性。这种方法不仅提高了对细微相位变化的检测能力，同时也为精密信号分析提供了强有力的支持。

 

互相关法
 

这并不是一种独立的测量方法，而是可以利用前述两种测量技术之一来实现的一种策略。具体做法是将被测设备（DUT）产生的信号分离，并分别送入两个独立的硬件通道。然后，在多次采集中计算这两个通道间的交叉频谱并取平均值。这样处理后，两个通道中共有的噪声（即来自DUT的噪声）会被保留下来，而不相关的噪声（通常由测量系统引入）则会被有效去除。使用互相关技术的相位噪声分析仪理论上能够达到接近kT热噪底的极限灵敏度，不过，实现这一高灵敏度需要耗费大量时间来处理可能涉及数十亿次采集的数据。这种方法虽然计算成本较高，但它极大地提高了测量精度和可靠性，特别适用于对噪声水平极低的信号进行精确分析。

 

 

【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而言，其灵敏度指的是能够测量的最小相位噪声水平，即最大动态范围内可检测到的最弱信号。这定义了设备在没有采用任何增强技术情况下的基线性能。

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在处理相关增益时采用的方式基本相同。由于测量时间与相关次数成正比，因此达到初始灵敏度（通常是在最近端偏移处完成首次相关）所需的时间将直接影响总测量时间。这一特性为不同相位噪声分析仪之间的性能比较提供了统一的标准，使得同类设备间的测量效率和灵敏度表现得以公平评估。通过关注初始相关所需的时间，用户可以更直观地了解设备在实际应用中的响应速度和整体性能。

 

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器件（DUT）的中心频率。现代相位噪声分析仪能够支持从直流（基带）到毫米波频率的广泛测量需求。利用这种分析仪，可以有效地评估近端（小频偏）相位噪声，这对于设计恒温晶振、确定OFDM信号中相位噪声对误差向量幅度（EVM）的影响，以及雷达系统的设计尤为重要。同时，通过相位噪声分析仪测量远端（大频偏）相位噪声，有助于了解相位噪声对宽带单载波和多载波应用中的EVM影响，并且对于分析超宽带高频时钟的相位噪声（或称为抖动）也非常关键。这种宽频段的支持使得相位噪声分析仪成为从精密时钟设计到复杂通信系统开发等多个领域的必备工具。

 

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

随着通信系统复杂性的增加以及带宽的不断扩展，相位噪声对系统性能的影响变得日益显著。特别是在采用宽带高阶调制格式的场景下，远端相位噪声通常成为误差向量幅度（EVM）的主要贡献者之一。

 

雷达系统
 

雷达系统确实对相位噪声性能有严格的要求，特别是对于近端频偏的控制尤为重要。多普勒雷达通过测量目标移动引起的回波信号频率变化来工作。然而，雷达本地振荡器（LO）的相位噪声会同时出现在目标回波信号和来自非目标静止物体（如大地反射产生的杂波）上。这种情况下，相位噪声可能会部分甚至完全掩盖目标信号，具体情况取决于目标信号的强度及其相对于载波的频率偏移。

 

OFDM正交频分复用
 

在现代通信系统中，特别是使用正交频分复用（OFDM）技术的场景下，子载波之间的频率间隔设计得非常紧密。这种紧凑的排列方式虽然提高了频谱效率，但也意味着每个载波的相位噪声可能会扩展并影响到相邻的载波，导致信号间的干扰增加。在这种情况下，近端相位噪声对系统性能的影响变得尤为关键，因为它可以直接影响到数据传输的准确性和可靠性。