揭秘相位噪声，提升测试效率

一体化SSA-X相位噪声测量解决方案，

实现速度与精度的统一

 

相位噪声测量是评估本振、混频器及放大器等射频组件短期频率稳定性的重要手段。对于致力于雷达和数字通信系统的工程师而言，能够快速且准确地进行相位噪声的测量，是推动产品开发进程的关键。这样的测量能力不仅有助于提高工作效率，还能确保产品的性能达到最优。

 

【相位噪声】

 

 

相位噪声反映了振荡源在特定时间段内维持相同频率稳定性的能力。针对短期频率稳定性，工程师们测量的是信号频率在秒级时间范围内发生的波动。这样的测量对于评估和提升通信系统及雷达设备的性能至关重要。

图 1 中的振荡器产生理想的纯正弦波，不包含相位噪声。

图 1：理想振荡器在频域中显示

 

现实中，振荡器的相位噪声会将信号功率扩展到相邻频率，如图 2 中的红线所示。

图 2：振荡器的信号能量随噪声边带而扩散

 

这些由热噪声、散粒噪声和闪烁噪声引起的噪声能量边带基于载波对称。

 

【测量相位噪声】
 

 

 

单边带 (SSB) 相位噪声 L(f) 是指载波特定偏移频率处的功率密度与载波信号总功率的比率，如图3所示。

图 3：相位噪声测量

 

相位噪声测量通常基于相对于载波的偏移频率 fm 进行评估。鉴于噪声能量边带在载波两侧对称分布，仅需在单边带中进行测量即可获取相位噪声特性。在1 Hz的测量带宽下，所测得的噪声能量功率谱密度结果以dBc/Hz为单位表示。这种测量方法能够有效地评估信号的纯净度和系统的稳定性。

 

【绝对相位噪声】
 

 

 

绝对相位噪声是指由单端口器件（如振荡器）自身产生的相位噪声，如图4所示。它是衡量信号发生器性能的一项关键指标，尤其对于诸如Keysight VXG等高性能信号源而言，低绝对相位噪声是实现高质量信号输出的重要保证。

图 4：SSA-X 信号源分析仪上的绝对相位噪声测量设置

 

【残余相位噪声】
 

 

 

残余相位噪声（亦称加性噪声）是指多端口器件（如放大器）在工作过程中引入到信号中的额外噪声，如图5所示。为了准确评估这类设备对信号噪声的贡献，残余相位噪声测量需排除输入信号源本身噪声的影响，从而仅反映被测器件所产生的噪声成分。这种测量方法对于深入理解系统各部分噪声特性具有重要意义。

图 5：SSA-X 信号源分析仪上的残余相位噪声测量设置

 

【相位噪声对于雷达系统的影响】
 

 

 

雷达检测回波的频移以确定目标的运动速度。图6显示了雷达系统框图。

图 6：雷达系统框图

 

如图7所示，发射信号上的相位噪声会掩盖目标的多普勒回波信号。相比于静止物体产生的较强杂波，移动目标的回波信号幅度通常非常微弱。虽然滤波技术可以有效抑制杂波干扰，但它无法消除随机噪声的影响，可能导致目标信号被遗漏，从而降低检测的准确性与可靠性。

图 7：多普勒信号被杂波所屏蔽

 

【相位噪声对于数字通信系统的影响】
 

 

 

在数字通信系统中，数字发射机和接收机中的相位噪声会导致误码率 (BER) 增加。图8显示了数字通信系统框图。该系统中的相位噪声会导致符号偏移、频谱再生和信道干扰。

图8：数字通信系统框图

 

符号偏移可引发检测错误。随着信号功率的提升，I和Q分量的幅度也会增加，这将导致符号扩散至距离原点更远的位置。尤其是远离原点的符号扩散现象更为显著，如图9中绿色部分所示。

对于采用高阶调制格式的情况，其符号决策边界更为狭窄，如图9中的黑色网格线所示。因此，符号偏移会显著提高高阶调制格式下的符号错误率和误码率。这种现象对通信系统的可靠性和效率提出了更高的要求。
 

图9：由于决策边界较窄，

较高的调制方案难以容忍相位噪声引起的符号偏移

 

【相位噪声分析仪】
 

 

 

相位噪声分析仪的灵敏度是指其能够准确测量的最低相位噪声水平。为了消除仪器自身噪声对测量结果的影响，工程师通常采用交叉频谱平均技术（也称为互相关）。这种方法虽然能够显著提升测量的准确性，但同时也会延长测试所需的时间。

 

相位噪声分析仪的整体性能主要由两个因素决定：初始灵敏度以及通过互相关技术降低本底噪声的速度。为确保测量有效，仪器的系统噪声应显著低于被测器件（DUT）的噪声水平，通常要求具备10 dB以上的裕量，以保证测量结果的可靠性与精度。

 

【相位噪声测量挑战】
 

 

 

精确的相位噪声测量不仅要求具备低噪声的信号源、复杂的测量配置以及高效的互相关技术，还需具备在绝对相位噪声与残余相位噪声测量模式之间灵活切换的能力。为了实现对器件的全面表征，开发人员通常还需要多种附加分析功能，例如杂散信号搜索和瞬态行为分析。

Keysight E505xA SSA-X 架构为相位噪声测量提供了卓越的速度与灵敏度表现。该架构集成于SSA-X信号源分析仪中，提供高达54 GHz的一体化相位噪声测量解决方案。这一高性能测量平台不仅支持高精度的绝对相位噪声和残余相位噪声分析，还涵盖多种应用功能，如压控振荡器（VCO）特性分析、频率瞬态响应测试以及频谱分析等，如图10所示。其多功能性和宽频覆盖使其成为射频与微波器件研发的理想选择。

图 10：信号源分析仪提供多种测量来支持相位噪声表征

 

SSA-X采用IQ解调技术进行相位噪声测量。输入信号通过内部功率分配器被分成多路，并下变频至中频（IF）。借助具有超低相位噪声的本地振荡器（LO），同一测量接收机可实现互相关处理，从而有效提升测量精度。

IQ解调器支持同时测量相位噪声和幅度噪声（AM噪声），频率偏移范围高达30 MHz；当偏移超过30 MHz时，仪器将测量相位噪声与AM噪声的总和。传统相位噪声测量通常采用相位检波器方法，从原始信号中减去载波及其噪声成分，仅提取被测器件（DUT）产生的噪声。

相比之下，SSA-X架构通过先进的数字信号处理技术，能够有效消除源信号和LO噪声的影响，从而显著提升相位噪声测量的速度与灵敏度。该方法不仅提高了测量效率，还增强了在复杂环境下的稳定性与可靠性，如图11所示。

图 11：SSA-X 信号源分析仪产品系列的绝对相位噪声灵敏度