相位噪聲測量方法與實驗分析

魯 赟，周 波

（上海精密計量測試研究所，上海 201109）

相位噪聲測量方法與實驗分析

魯 赟，周 波

（上海精密計量測試研究所，上海 201109）

介紹了相位噪聲測試方法中直接頻譜儀法、相位檢波器法和雙通道互相關(guān)法的測量原理及方法。將3種方法的測量結(jié)果與原微波信號源進行對比，分析了它們在相位噪聲測量中應注意的事項。

相位噪聲；直接頻譜儀法；相位檢波器法；雙通道互相關(guān)法

任何頻率源內(nèi)部都存在噪聲。噪聲的特性可用其功率譜密度表征，即單位頻帶（通常為1Hz）帶寬內(nèi)的平均功率，簡稱譜密度。在頻率源內(nèi)，噪聲對振蕩信號的幅度、相位和頻率能起到調(diào)制作用。由噪聲調(diào)制引起的頻率變化為頻率穩(wěn)定度。

由于噪聲調(diào)制的影響，使頻率源輸出信號的譜密度分布不再是一條離散的譜線，而是以調(diào)制邊帶的形式擴展到載頻（輸出信號的實際頻率值）的兩邊。對相位和頻率的調(diào)制影響到頻率的隨機起伏，因此頻率穩(wěn)定度的頻域表征主要為調(diào)相（或調(diào)頻）有關(guān)的譜密度。在頻域中，將頻率源輸出信號的隨機相位或頻率的起伏統(tǒng)稱為相位噪聲。頻率源的很多應用領(lǐng)域均要求相位噪聲造成的頻標邊帶的譜密度盡可能的低。

在量化相位噪聲的眾多技術(shù)指標中，最為常用的測量指標為單邊帶（SSB）相位噪聲￡（f），以表征頻域內(nèi)頻率穩(wěn)定度。美國國家標準與技術(shù)研究院 （NIST）將￡（f）定義為［1］

式中，Sφ（f）為相位起伏的譜密度；f為頻率。

本文介紹了相位噪聲測試的3種方式：直接噪聲測試法、相位檢波器法和雙通道互相關(guān)法。將測量方法與原微波信號源作對比，分析了它們實驗中應注意的事項。

1 相位噪聲測試方法

目前，應用最廣泛的相位噪聲測量技術(shù)有直接頻譜儀法、相位檢波器法和雙通道互相關(guān)法［2-4］。直接頻譜技術(shù)是在存在載波信號的同時測量相位噪聲，其他兩種技術(shù)則需要在移除載波（解調(diào)）后進行相位噪聲測量。

1.1 直接頻譜儀法

直接頻譜儀法是用頻譜分析儀直接測量待測頻率源相位噪聲的方法。其具有使用簡單、易操作、降低測試成本等優(yōu)點［5-6］。其測量結(jié)果需修正測量隨機噪聲帶來的誤差［7］。大多數(shù)采用模擬電路中頻的頻譜分析儀都采用對數(shù)中頻放大器和峰值檢波器。頻譜分析儀中的對數(shù)中頻放大器對噪聲信號峰值的放大作用小于其他的噪聲信號，使得測量值偏低；而用取樣檢波器或峰值檢波器測量噪聲時，則會引入測量誤差。對數(shù)中頻放大器和檢波器引入的誤差通常為＋2.5dB。對于使用數(shù)字中頻的頻譜分析儀，由于采用的是數(shù)字采樣，則誤差為0dB。

綜合考慮上述因素，單邊帶相位噪聲可用計算得到。

式中，Lm（fm）為頻譜分析儀用頻標直接讀取的單頻點的噪聲電平，dBm；L（fC）為載波功率電平，dBm，該值可由頻譜儀軌跡上的峰值直接讀出；BW為測量相位噪聲時頻譜分析儀設置的測量帶寬標稱值，Hz；C為常數(shù)，dB，使用模擬頻譜分析儀時C＝＋2.5dB，使用數(shù)字頻譜分析儀時C＝0dB。

1.2 相位檢波器法

相位檢波器法的測量原理圖［8］如圖1所示。

圖1 相位檢波器法測量原理框圖Fig.1 Principle of direct spectrum analysis

設被測源信號為

參考源信號為

其中：Us，Ur分別為被測源信號和參考源信號的信號幅度；f0為信號頻率；φs（t），φr（t）分別為被測源信號和參考源信號的相位起伏；t為測量時間。

被測源信號與參考源信號的頻率相等，相位相差90°，經(jīng)過檢相器后，和頻信號被低通濾波器濾除，差拍信號為

當Δφ（t）的峰值小于0.2rad，式（3）可近似為

式中，K為檢相器靈敏度或相位檢波常數(shù)。

由此可知，若被測源信號與參考源信號同頻相位正交，φ（t）就可轉(zhuǎn)換為電壓變化，若參考源信號的相位變化足夠小，即可由電壓變化計算出被測源信號的相位變化。相位檢波器法具有測量靈敏度較高、測量分析的頻率范圍寬、本底噪聲低等特點。

1.3 雙通道互相關(guān)法

雙通道互相關(guān)法結(jié)合了2個重復的單通道參考信號源或鎖相回路（Phase Locked Loop，PLL）系統(tǒng)，在2個獨立通道的輸出端間進行互相關(guān)操作。互相關(guān)技術(shù)可降低測量儀器在所有偏置頻率上的噪聲底部，故不需要一個低噪聲的參考源信號就可提高相位噪聲測量的靈敏度。該方法具有易于操作、無需復雜設置及系統(tǒng)校準等優(yōu)點［9］。

被測源信號在輸入端被功分成兩路，經(jīng)過鎖相環(huán)路，與2個獨立的本振混頻后分別進行A／D轉(zhuǎn)換和傅里葉變換，輸出信號之間做互相關(guān)數(shù)字信號處理計算。由于互相關(guān)技術(shù)通過矢量加法電路，使來自參考信號源的總噪聲功率通過矢量平均來降低，由此可以消除兩路非相關(guān)信號的影響，以抑制本機內(nèi)置參考源信號和相關(guān)電路的相位噪聲，降低系統(tǒng)的噪聲底部，從而相對地增強被測源信號的相位噪聲信號。內(nèi)置信號源相位噪聲的削弱程度取決于相關(guān)次數(shù)，通過改變相關(guān)次數(shù)，可以使測試靈敏度最高提高20dB。

2 相位噪聲測試過程及結(jié)果分析

對微波信號源Agilent E8251A（OPT UNR）的射頻輸出信號分別利用直接頻譜儀法、相位檢波器法、雙通道互相關(guān)法進行相位噪聲測試。該微波信號源在300MHz的相位噪聲指標如表1所示。

表1 Agilent E8251A（OPT UNR）相位噪聲技術(shù)指標Tab.1 Specifications of Agilent E8251A

2.1 直接頻譜儀法測試結(jié)果及分析

將 Agilent E8251A（OPT UNR）的射頻輸出信號直接與頻譜分析儀Agilent E4440A的輸入端相連。設置Agilent E4440A的頻偏測量范圍為0.001～1MHz。6次測量結(jié)果如表2所示。

表2 直接頻譜儀法測試數(shù)據(jù)Tab.2 Measured data with direct spectrum analysis

由表1、2數(shù)據(jù)相比較后可見，當偏離載頻小于1kHz時，測出的相位噪聲值與微波信號源的相位噪聲指標的離散性較大，說明使用頻譜分析儀Agilent E4440A無法測量出微波信號源Agilent E8251A（OPT UNR）的相位噪聲。由此可知直接頻譜儀法的測量情況。

（1）使用頻譜分析儀測量時，由于其本振不穩(wěn)定使通過混頻器傳遞到混頻后的信號上，而本振的相位噪聲調(diào)制邊帶則顯示在頻譜分量上，故頻譜分析儀測量相位噪聲的能力取決于其本振的相位噪聲。只有當本振相位噪聲優(yōu)于被測源相位噪聲時，測出的相位噪聲才是正確的。表1、2的數(shù)據(jù)表明，當偏離載頻大于100Hz時，頻譜分析儀的本振相位噪聲較被測源的相位噪聲要差，無法測出被測源的相位噪聲。

（2）在實際測量中，由于頻譜分析儀不能區(qū)分被測源信號的相位噪聲和調(diào)幅噪聲，故其測量結(jié)果為被測源信號的所有不穩(wěn)定度總和，即相位噪聲和調(diào)幅噪聲的總和。只有當已知調(diào)幅噪聲遠小于被測信號源的相位噪聲時，測得的結(jié)果才是相位噪聲。

（3）頻譜分析儀使用的分辨率帶寬越窄，其掃描時間就越長；同時，由于掃描期間振蕩器的頻率發(fā)生變化，若掃描時間太長，被測源信號在掃描時間內(nèi)的頻率漂移大于總的頻譜分析儀掃頻寬度的1／20，就不能測得正確的相位噪聲數(shù)據(jù)。

2.2 相位檢波器法測試結(jié)果及分析

將微波信號源Agilent E8251A（OPT UNR）的射頻輸出信號與相位噪聲測量裝置HP3048A的輸入端相連。在HP3048A上設置載波頻率、壓控振蕩器調(diào)諧常數(shù)、壓控電壓范圍及壓控電壓輸入阻抗。通過測量得到相位檢波常數(shù)等參數(shù)，再將被測源信號與參考源信號進行正交鎖相，最后得出被測源信號的相位噪聲的測量結(jié)果如表3所示。

表3 相位檢波器法測試數(shù)據(jù)Tab.3 Measured data with phase discriminator law

由表3與表1的數(shù)據(jù)相比較可見，兩者數(shù)據(jù)較接近，離散性很小，說明使用相位噪聲測量裝置HP3048A可以測量出微波信號源的相位噪聲。使用相位檢波器法測量相位噪聲應注意以下內(nèi)容。

（1）應正確選擇參考源。① 參考源信號應具有壓控特性，是一個可控振蕩器；② 與被測源信號相比，參考源信號的相位噪聲應比整個頻率偏離范圍至少低10dBc／Hz。若參考源信號不滿足條件，則需對測量結(jié)果按表4作相應修正。

表4 測量結(jié)果的修正Tab.4 Modification to the measured data

（2）應正確選擇被測源信號的輸出電平。輸入到HP11848混頻器端的電平應控制在＋5～＋10dBm。這是因為一方面不會對輸入系統(tǒng)構(gòu)成威脅，另一方面由于使用的是系統(tǒng)內(nèi)置的低噪聲放大器，其本底噪聲應降低20dB。

（3）應考慮調(diào)幅噪聲的影響。相位檢波器法測量中，測量系統(tǒng)具有區(qū)分調(diào)幅噪聲和相位噪聲的能力，一般情況下測得的就是相位噪聲。當信號源的調(diào)幅噪聲較嚴重時，應根據(jù)系統(tǒng)對其的抑制能力，來判斷是否對相位噪聲測量產(chǎn)生影響。

2.3 雙通道互相關(guān)法測量結(jié)果及分析

將微波信號源的射頻輸出信號與信號源分析儀Agilent E5052B的輸入端相連。在Agilent E5052B上設置載波頻率、頻偏分析范圍和合適的自相關(guān)系數(shù)，其他均設置為Auto，得到被測源信號的相位噪聲測量結(jié)果如表5所示。

由表5與表1數(shù)據(jù)比較后發(fā)現(xiàn)，使用Agilent E5052B可以測量出微波信號源的相位噪聲。測量結(jié)果的離散性介于直接頻譜儀法和相位檢波器法之間，故雙通道互相關(guān)法可運用于實際工程的快速相位噪聲測量。測量結(jié)果表明以下內(nèi)容。

（1）在相位噪聲測量中，自相關(guān)系數(shù)的設置必須合理。由E5052B的測量原理可知，增加自相關(guān)系數(shù)可以提高相位噪聲的測量靈敏度，降低噪聲底部。但是，隨著自相關(guān)系數(shù)的不斷增加，相位噪聲測量的靈敏度將不再明顯改善，其噪聲底部的有效改善值約為20dB；同時，由于自相關(guān)系數(shù)不斷增加，測量時間也會大幅度延長，使得測量過程變得十分漫長。因此，自相關(guān)系數(shù)的設置應當限制在一個合適的范圍內(nèi)。

（2）應選擇合理的被測信號源輸出電平。輸入到E5052B輸入端的電平應控制在5～10dBm，這樣就不會對輸入系統(tǒng)構(gòu)成威脅；同時，提高載頻信號的功率就可提高被測信號的信噪比，從而抑制測量設備本身的系統(tǒng)誤差，故降低系統(tǒng)的噪底，相對地就增強了被測的相位噪聲信號，以提高檢測的精度。

表5 雙通道互相關(guān)法測試數(shù)據(jù)Tab.5 Measured data with dual channel cross correlation

3 結(jié) 語

通過對直接頻譜儀法、相位檢波器法和雙通道互相關(guān)法3種測量相位噪聲方法的分析研究后發(fā)現(xiàn)：直接頻譜儀法測量結(jié)果的重復性較差，測量結(jié)果受到頻譜分析儀本振的相位噪聲、被測源信號的信號模式及頻率漂移等因素的限制，故適用于測量相位噪聲指標較差或調(diào)幅噪聲小的頻率源，以及用于普通實驗室內(nèi)或外場對信號相位噪聲的預估計測試；相位檢波器法對調(diào)幅噪聲具有抑制能力，其測量結(jié)果的重復性較高，故適用于高穩(wěn)定度頻率源的相位噪聲測量，以及校準實驗室內(nèi)相位噪聲的量值傳遞；雙通道互相關(guān)法采用了獨特的互相關(guān)技術(shù)，可在較為廣泛的頻率偏置范圍內(nèi)測量較低的相位噪聲，能提高相位噪聲測量的靈敏度，能區(qū)分相位噪聲與調(diào)幅噪聲，但需要較長的測量時間來完成近載頻的低相位噪聲測量。

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Measurement of Phase Noise and Experimental Analysis

LU Yun，ZHOU Bo
（Shanghai Precision Metrology ＆ Test Research Institute，Shanghai 201109，China）

The paper introduces three methods for phase noise test：direct spectrum analysis，phase discriminator law，and dual channel cross correlation.Measured results of the three methods are compared with phase noise of the signal generator，and analyzed to find issues that should be concerned.

phase noise；direct spectrum analysis；phase detector method；dual channel cross correlation

TM 933.312；TN 911.4

A

2095－0020（2011）06－0417－05

2011－10－25

魯 赟（1977－），男，工程師，專業(yè)方向為時間頻率計量，E－mail：casval0079＠gmail.com