如何準(zhǔn)確測試相位噪聲

相位噪聲是表征CW信號頻譜純度的非常重要的參數(shù)，衡量了信號頻率的短期穩(wěn)定度。通常所說的相噪為單邊帶(SSB) 相位噪聲，相噪的好壞對于系統(tǒng)的性能至關(guān)重要！

·對于終端通信而言，如果接收機LO的相噪較差，且在信道附近存在較強的單音干擾時，在下變頻過程中因交叉調(diào)制將導(dǎo)致信道內(nèi)的噪聲增加，從而惡化信噪比，嚴重時將無法進行正常通話！

·對于衛(wèi)星通信而言，如果發(fā)射機LO的相噪較差，將直接惡化數(shù)字調(diào)制信號的質(zhì)量，星座圖模糊，EVM變差，從而影響有效的數(shù)據(jù)傳輸！

·對于雷達而言，如果整機的LO相噪較差，將導(dǎo)致部分目標(biāo)的微弱回波信號淹沒在強回波信號的邊帶中，從而無法正常檢測！

由此可見，相噪性能是保證系統(tǒng)性能的重要前提！

因此，在設(shè)備研制階段，通過合適的測量手段檢驗相噪性能是非常重要的一個工作環(huán)節(jié)。如何檢驗信號的相噪性能呢？

對于相位噪聲的測試，目前業(yè)界常用的方法包括：基于頻譜儀的測試方法和基于鑒相器的測試方法。使用頻譜儀測試相噪又可分為，直接標(biāo)定法和使用專門的相噪選件進行自動化測試。直接標(biāo)定法即手動測試，經(jīng)濟實惠，但是操作相對繁瑣；使用相噪選件自動化測試操作方便，可以直接給出相噪曲線，但是需要購買！至于基于鑒相器方法的設(shè)備，屬于更加專業(yè)的相噪測試設(shè)備，測試能力更強，當(dāng)然也是價格不菲的。

如果在研發(fā)階段，只是要檢驗?zāi)承╊l偏處的相噪，而不要求直接得到相噪曲線，可以考慮使用頻譜儀直接標(biāo)定信號相噪，直接標(biāo)定法也是下面要重點介紹的內(nèi)容。

本文將首先介紹相噪的定義，然后介紹影響頻譜儀相噪測試能力的因素，最后將給出手動測試相噪的關(guān)鍵步驟及注意事項。

相位噪聲是如何定義的？

相噪的定義是大家所熟知的，如圖1所示，在距離載波fc一定頻偏處的噪聲功率譜密度與載波功率的比值即為相位噪聲，通常是指單邊帶相位噪聲(SSB PN)，單位為dBc/Hz?！癱”可以理解為載波carrier，意思是相對載波的電平。類似地，在描述諧波失真度時通常也采用單位dBc。

對于理想的CW信號，其頻譜為單根譜線，而實際上由于相位噪聲的存在，使得其頻譜具有圖1所示的邊帶，距離載波越遠，邊帶幅度越小，意味著相位噪聲也越好。

相位噪聲的存在，使得信號的相位是隨機波動的。之所以信號具有圖1所示的邊帶，是因為相位噪聲相當(dāng)于寬帶噪聲對信號進行了相位調(diào)制！當(dāng)然，信號的幅度也是存在波動的，相當(dāng)于寬帶噪聲對信號進行了幅度調(diào)制，這部分噪聲稱為調(diào)幅噪聲。相位噪聲和調(diào)幅噪聲并存，使得信號具有一定的邊帶。

實際上，按照上述定義得到的相噪測試結(jié)果既包含了相位噪聲，也包含了調(diào)幅噪聲，通常調(diào)幅噪聲相對于相位噪聲要小得多，可以忽略，因此也就將測試結(jié)果當(dāng)作相位噪聲了?；陬l譜儀的相噪測試，無論是直接標(biāo)定還是自動化測試，都是這種情形。如果要分離出相位噪聲和調(diào)幅噪聲，只能采用鑒相測試方法了。

值得一提的是，能夠分離相位噪聲和調(diào)幅噪聲只是鑒相器測試法的特性之一，鑒相器法的最主要目的是為了改善相噪測試靈敏度，提高相噪測試能力！

圖1. 單邊帶相位噪聲的定義

決定頻譜儀相噪測試能力的因素有哪些？

曾經(jīng)有過這樣的困惑，頻譜儀怎么會有相噪的指標(biāo)，相噪不是信號源的指標(biāo)嗎？后來才明白，頻譜儀的相噪其實是內(nèi)部LO信號的相噪，而且它決定了頻譜儀近端相噪的測試能力。頻譜儀自身的相噪越低，則相噪測試能力越強！

頻譜儀自身的相噪是如何影響其相噪測試能力的呢？

以圖2為例，假設(shè)RF信號是理想的，LO信號具有一定的邊帶，在下變頻過程中，除了將RF信號變頻至IF外，LO信號的邊帶也會一起搬移至IF。混頻器實際上起到乘法器的作用，RF信號與LO信號相乘實現(xiàn)下變頻的同時，也會與LO信號邊帶包含的頻率成分相乘，從而使得邊帶也變頻至IF附近。有的文獻將此稱為互易混頻，互易混頻使得LO信號的邊帶搬移至IF。

近端相噪測試通常只關(guān)注1MHz頻偏范圍內(nèi)的相噪，考慮雙邊帶時，對應(yīng)的是fc± 1MHz范圍內(nèi)的邊帶。對于混頻器而言，可以認為在2MHz這么窄帶寬內(nèi)的變頻損耗是恒定的，這意味著對于圖2所示的例子，IF信號的相噪與LO信號的相噪是相同的！這個相噪就是頻譜儀自身的相噪“底噪聲”，一般稱為相噪測試靈敏度，決定了頻譜儀的相噪測試能力。

如果待測信號的相噪低于頻譜儀自身的相噪，當(dāng)然是測不出信號真實的相噪水平。檢定頻譜儀相噪指標(biāo)時，一般會選擇一臺相噪更好的信號源，相噪測試結(jié)果能夠反映出頻譜儀自身的水平。

如果要準(zhǔn)確測試信號的相噪，則要求頻譜儀自身相噪比待測信號好很多，按照經(jīng)驗，至少優(yōu)異10dB以上，才能保證測試精度！

圖2. LO的相噪因互易混頻搬移至IF輸出信號

以上介紹了影響近端相噪測試能力的因素，隨著頻偏的不斷增大，LO信號的相噪也是逐漸降低的，此時決定儀表相噪測試能力的因素可能不再是LO的相噪，而是儀表的底噪聲。

如何判斷頻譜儀底噪聲是否影響遠端相噪測試呢？

有兩種方法可以嘗試：

(1) 降低信號功率，觀測遠端邊帶是否也跟隨降低，如果沒有變化，說明底噪聲確實影響遠端相噪測試；如果遠端邊帶也隨之降低，則說明底噪聲帶來的影響很小。

(2) 直接關(guān)閉信號，保證頻譜儀其它設(shè)置不變，對比此時的底噪聲與關(guān)閉信號之前的遠端邊帶功率的大小。如果底噪聲低于遠端邊帶功率(建議10dB以上)，則對測試影響較小；如果底噪聲與遠端邊帶持平，則必然會影響測試結(jié)果！

如果底噪聲影響了遠端相噪測試，如何解決呢？

可以在一定程度上增大信號功率，因為信號功率越高，邊帶功率也隨之提高，使其高出底噪一定水平，從而保證測試精度。但不能導(dǎo)致頻譜儀過載，否則將擾亂測試結(jié)果，必要時，可以使用陷波器抑制載波信號。

或者選擇底噪聲更低的頻譜儀進行測試！

如何使用直接標(biāo)定法準(zhǔn)確測試相噪？

了解影響頻譜儀相噪測試能力的因素之后，下面介紹一下如何使用直接標(biāo)定法測試信號的相噪。

這里不涉及頻譜儀具體的操作，只給出關(guān)鍵的測試步驟及注意事項。

為了提高相噪測試精度，建議適當(dāng)提高信號功率，以得到更高的邊帶功率，推薦信號功率在±5dBm范圍之內(nèi)，太強可能導(dǎo)致頻譜儀過載。

直接標(biāo)定法操作步驟(推薦) ：

Step 1：設(shè)置合適的中心頻率和Span，使得能夠顯示信號頻譜并覆蓋需要測試的頻偏范圍。

Step 2：將頻譜儀射頻前端衰減度設(shè)置為0dB，以降低底噪，提高相噪測試精度，這一點對于遠端相噪測試尤為重要。

Step 3：將頻譜儀的顯示檢波器類型選擇為RMS檢波器，這個在之前的文章“如何選擇顯示檢波器”中已有說明，為了得到更加穩(wěn)定的測試結(jié)果，可以考慮增大掃描時間。

Step 4：設(shè)置合適的RBW，RBW并不是越小對測試越有利，降低RBW并不會改善遠端相噪測試能力，因為底噪降低的同時，邊帶功率也會降低，而且RBW太小，速度太慢。但是當(dāng)測試近端相噪時，比如頻偏100kHz以內(nèi)，RBW需要設(shè)置小一點，以對載波信號充分抑制，否則會嚴重影響相噪測試能力！

近端相噪測試過程中，可以通過逐步降低RBW來選擇合適的值，降低RBW的過程中，當(dāng)相噪測試結(jié)果不再降低時，選取此時的RBW即可。

Step 5：確定載波信號功率及待測頻偏處的噪聲功率譜密度，以計算相位噪聲。

通過Marker功能很容易確定載波信號功率PC，當(dāng)然也很容易確定待測頻偏處的功率PSSB，則噪聲功率譜密度可通過下式計算：

PSD=PSSB- 10lg(RBW) (dBm/Hz)

則相噪測試結(jié)果為

PN=PSD-PC(dBc/Hz)

目前業(yè)界大部分頻譜儀都支持使用Marker直接測試功率譜密度，再通過顯示Marker的delta mode便可以直接顯示相噪結(jié)果，這樣就省去了上述計算步驟，使用非常方便！

以上便是要給大家分享的內(nèi)容，希望對大家有所幫助~~