一種簡(jiǎn)單且具有成本效益的相位噪聲測(cè)量方案

當(dāng)今，高速半導(dǎo)體技術(shù)（例如，RF- CMOS、GaN 和 SiGe）的發(fā)展正在將應(yīng)用頻率上限推得越來(lái)越高，一直達(dá)到微波和毫米波范圍。隨著新型商業(yè)市場(chǎng)應(yīng)用的要求（例如，汽車?yán)走_(dá)、超寬帶通信鏈路和無(wú)線 LAN/PAN，以及傳統(tǒng)的航空航天和國(guó)防應(yīng)用）變得更為嚴(yán)格，描述信號(hào)源的相位噪聲特征比過(guò)去變得更為重要。

此外，在盡可能多地測(cè)試微波信號(hào)源的參數(shù)時(shí)，希望有一種簡(jiǎn)單且具有成本效益的方法來(lái)評(píng)估相位噪聲。

Keysight E5052B 信號(hào)源分析儀 （SSA）以及 E5053A 微波下變頻器具有高達(dá) 26.5 GHz 的擴(kuò)展頻率范圍。

如圖1所示，利用 E5053A 微波下變頻器，E5052B 信號(hào)源分析儀（10 MHz 至 7 GHz ） 中可供使用的所有六個(gè)基本功能現(xiàn)在都可以在高達(dá) 26.5 GHz的頻率范圍內(nèi)使用。利用是德科技或第三方提供的外部諧波混頻器，相位噪聲測(cè)量功能可被擴(kuò)展到 100 GHz。

圖1. E5052B 信號(hào)源分析儀的六個(gè)基本功能

E5052B 信號(hào)源分析儀 在微波載波頻率處提供了出色的相位噪聲靈敏度。在 NormaI 采集模式下，相位噪聲分析的最大頻率偏移范圍為 1 Hz 至100 MHz， 在Wide采集模式為40 MHz。Wide 采集模式對(duì)于測(cè)量漂移程度較大的振蕩器非常有用。

在圖2中，所示測(cè)量結(jié)果為 21.55 GHz?？梢钥吹?E5052B 和 E5053A 可以測(cè)試 21.55 GHz 微波信號(hào)或43.10 GHz 等效時(shí)鐘頻率的亞皮秒級(jí)抖動(dòng)（相位噪聲）。圖3中示出微波頻率的典型本底相位噪聲。

圖2. E5053A 微波下變頻器測(cè)量的 21.55 GHz抖動(dòng)

圖3. E5053A 微波下變頻器系統(tǒng)本底相位噪聲

與傳統(tǒng)的直接頻率分析儀方法或者傳統(tǒng)的 PLL 方法相比，E5052B 信號(hào)源分析儀 測(cè)量相位噪聲的速度非?？?。例如，在 1 kHz 至 100 MHz 偏移頻率范圍內(nèi)，該測(cè)量處理能力僅需不到半秒的時(shí)間，在1 Hz 至 100 MHz 偏移頻率范圍內(nèi)，僅需大約13秒。由于使用了采樣率為 250 MSps 的100 MHz 實(shí)時(shí)基帶分析儀，這一級(jí)別的相位噪聲測(cè)量處理能力比傳統(tǒng)方法快10倍以上。

在低相位噪聲測(cè)量中，E5052B 信號(hào)源分析儀 的雙通道互相關(guān)技術(shù)（隨機(jī)噪聲消除技術(shù)）最多可以將本底噪聲降低 20 dB （取決于相關(guān)的次數(shù)）。盡管提高相關(guān)次數(shù)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間變長(zhǎng)，但總測(cè)量時(shí)間仍然保持在如圖 4 所示的合理范圍內(nèi)。在圖 5 中給出了使用互相關(guān)技術(shù)所獲得的降噪效果（降噪比）。

圖4. 相關(guān)次數(shù)和PN測(cè)量時(shí)間的變化關(guān)系

對(duì)于微波頻率的靜默（非常低的相位噪聲）信號(hào)源，E5052B 和 E5053A 通常采用前面提及的互相關(guān)技術(shù)，可以在 Normal 采集模式（ PLL 方法）中提供出色的靈敏度和極低的本底噪聲。

但是，我們有時(shí)必須多少描述一下有噪聲的振蕩器的特征，這些振蕩器在微波或毫米波范圍內(nèi)經(jīng)常伴隨著漂移或游移。對(duì)于 400 MHz 以上的信號(hào)源，由于 PLL 方法在系統(tǒng)響應(yīng)帶寬和相位檢測(cè)器工作方面存在局限性，所以不能采集一個(gè)含有噪聲的信號(hào)，所以 E5052B 可以在 Wide采集模式下提供一種替代相位噪聲測(cè)量方法，被稱作“外差式數(shù)字鑒相器方法”。

圖5. 相關(guān)次數(shù)和降低噪比之間的關(guān)系

盡管在Wide采集模式中，最大偏移頻率范圍被限制為 40 MH（而不是 Normal 采集模式的100 MHz）， 但在更高相位噪聲測(cè)量范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)大約 10 dB 到 30 dB 的擴(kuò)展。在描述一個(gè)自由振蕩的壓控振蕩器時(shí)，這一特征顯示出很明顯的優(yōu)點(diǎn)。圖 6 中所顯示的測(cè)量實(shí)例顯示了NormaI 模式中的“系統(tǒng) PLL 未鎖定”警告，它表示一個(gè) Wide 采集模式中的有噪聲的 24 GHz 信號(hào)源的正確結(jié)果。

除了測(cè)量調(diào)幅噪聲（ AM 噪聲 ），E5052B 和 E5053A 還可以準(zhǔn)確地測(cè)量功率和頻率，而不需要在射頻輸入端進(jìn)行重新連接。圖 7 給出了在 24 GHz 所得測(cè)量結(jié)果的另一個(gè)實(shí)例。

圖6. 24 GHz 有噪聲信號(hào)源測(cè)量

圖7. 24 GHz PM 和 AM 噪聲

圖8顯示了E5053A/E5052B的一個(gè)簡(jiǎn)化方框圖，以及根據(jù)測(cè)量模式，在幾個(gè)參考信號(hào)之中的關(guān)系。注意，”參考信號(hào)2”對(duì)于PN和頻率測(cè)量準(zhǔn)確性發(fā)揮著關(guān)鍵作用。適當(dāng)?shù)摹皡⒖夹盘?hào)”連接對(duì)于保持測(cè)量可重復(fù)性和穩(wěn)定性非常重要。

圖8 。 E5053A+E5052B的內(nèi)部參考信號(hào)連接圖

由于 E5052B 和 E5053A 被設(shè)計(jì)為使用兩個(gè)獨(dú)立路徑（信號(hào)通道）實(shí)現(xiàn)從射頻到中頻的下變頻，所以可以很容易地將相位噪聲測(cè)量擴(kuò)展到 26.5 GHz以上的毫米波。功率分配器（功分器）和一對(duì)外部諧波混頻器可以被添加到如圖 9 所示的 E5053A，以利用高達(dá)110 GHz 的互相關(guān)方法。E5052B 中安裝的“毫米波應(yīng)用程序”軟件可以幫助設(shè)定本機(jī)振蕩器的頻率。

Keysight E5052B 信號(hào)源分析儀被設(shè)計(jì)用于精確測(cè)試微波和毫米波頻率的相位噪聲。通過(guò)利用互相關(guān)（隨機(jī)噪聲消除）技術(shù)、外差式數(shù)字鑒相器方，以及采樣率為 250 MHz 采樣率的低噪聲 100 MHz 實(shí)時(shí)基帶分析義，實(shí)現(xiàn)了極高的相位噪聲靈敏度和很寬的動(dòng)態(tài)范圍，而且操作非常簡(jiǎn)單。

E5052B 的相位噪聲測(cè)量性能：對(duì)自由振蕩 VCO 參數(shù)的信號(hào)源表征的描述，以及瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)測(cè)試能力，在微波組件評(píng)估中提供了最精確和最可靠的測(cè)量結(jié)果。

圖9. 帶有外部諧波混頻器的毫米波應(yīng)用程序
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