相位噪聲的兩種定義與測試方法概述

一、相位噪聲的頻譜定義與測試方法

相位噪聲是衡量振蕩器短期頻率穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它描述了振蕩器輸出信號(hào)的相位隨時(shí)間的隨機(jī)波動(dòng)。在頻譜上，相位噪聲表現(xiàn)為載波頻率周圍的噪聲邊帶。理解和測量相位噪聲對(duì)于設(shè)計(jì)高性能的通信系統(tǒng)和信號(hào)處理電路至關(guān)重要。

相位噪聲的頻譜定義

相位噪聲通常定義為在特定頻率偏移（offset frequency）處，相對(duì)于載波功率的單邊帶噪聲功率密度。

圖 相位噪聲的頻譜定義示意圖

相位噪聲的測試方法

測量相位噪聲的方法有多種，以下是幾種常見的測試方法：

1. 直接頻譜分析法：

使用頻譜分析儀（Spectral Analyzer）直接測量載波附近的噪聲邊帶。

*設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為振蕩器的輸出頻率，并調(diào)整分辨率帶寬（Resolution Bandwidth, RBW）以清晰地顯示噪聲邊帶。

讀取特定頻率偏移處的相位噪聲水平，并將其轉(zhuǎn)換為dBc/Hz。

2. 相位檢測器法：

使用相位檢測器（Phase Detector）和頻譜分析儀組合來測量相位噪聲。

相位檢測器將振蕩器的輸出與一個(gè)參考信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)與相位噪聲成正比的電壓信號(hào)。

將這個(gè)電壓信號(hào)輸入到頻譜分析儀中，分析其頻譜成分以獲得相位噪聲的信息。

3. 延遲線法：

使用延遲線（Delay Line）和混頻器（Mixer）來測量相位噪聲。

將振蕩器的輸出信號(hào)通過一個(gè)延遲線，然后與原始信號(hào)一起輸入到混頻器中。

混頻器輸出的差頻信號(hào)包含了相位噪聲信息，通過分析這個(gè)信號(hào)可以計(jì)算出相位噪聲。

4. 零拍法（Zero-Span Method）：

這是一種利用頻譜分析儀的特殊測量技術(shù)，適用于測量非常接近載波的相位噪聲。

將頻譜分析儀的中心頻率設(shè)置為振蕩器的輸出頻率，并將分辨率帶寬調(diào)至最小。

通過觀察載波兩側(cè)的噪聲峰值，可以獲得相位噪聲的估計(jì)值。

但是頻譜儀測量相位噪聲卻有不少局限性：

· 測量靈敏度不高，受到頻譜儀固有相位噪聲的限制。因?yàn)轭l譜儀是超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)，接收機(jī)本振的相位噪聲限制了頻譜儀測量相位噪聲的靈敏度。

· 無法區(qū)分調(diào)幅噪聲和相位噪聲，因?yàn)閮烧叨紩?huì)引起頻譜的展寬。

· 無法測量非常近載波的相位噪聲，最小頻偏受分辨率濾波器形狀因子限制。

· 頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍也限制了相位噪聲測量靈敏度。由于噪聲功率與載波功率之間差別巨大，頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍也限制了相位噪聲測量靈敏度。

相位噪聲的測試是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要精確的儀器和正確的測量技巧。不同的測試方法適用于不同的應(yīng)用和頻率范圍。在實(shí)際測量中，工程師需要根據(jù)振蕩器的特性和所需的精度選擇合適的測試方法。此外，測試環(huán)境的控制也很重要，例如溫度、電源噪聲和機(jī)械振動(dòng)等因素都可能影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，進(jìn)行相位噪聲測試時(shí)，應(yīng)當(dāng)在屏蔽良好的環(huán)境中操作，并采取適當(dāng)?shù)母綦x措施以減少外部干擾。

二、相位噪聲的相位定義與測試方法

相位噪聲是指振蕩器輸出信號(hào)的相位隨時(shí)間的隨機(jī)波動(dòng)，這種波動(dòng)在頻譜上表現(xiàn)為載波頻率周圍的噪聲邊帶。相位噪聲的存在對(duì)于許多精密電子設(shè)備和通信系統(tǒng)的性能有著顯著影響，因此理解和測量相位噪聲是電子工程中的一個(gè)重要方面。

相位噪聲的相位定義

相位噪聲通常定義為在特定頻率偏移處，相對(duì)于載波功率的單邊帶噪聲功率密度。

相位噪聲的測試方法

測量相位噪聲的方法有多種，以下是幾種常見的測試方法：

1. 直接頻譜分析法：

使用頻譜分析儀（Spectral Analyzer）直接測量載波附近的噪聲邊帶。

設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為振蕩器的輸出頻率，并調(diào)整分辨率帶寬（Resolution Bandwidth, RBW）以清晰地顯示噪聲邊帶。

讀取特定頻率偏移處的相位噪聲水平，并將其轉(zhuǎn)換為dBc/Hz。

2. 相位檢測器法：

使用相位檢測器（Phase Detector）和頻譜分析儀組合來測量相位噪聲。

相位檢測器將振蕩器的輸出與一個(gè)參考信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)與相位噪聲成正比的電壓信號(hào)。

將這個(gè)電壓信號(hào)輸入到頻譜分析儀中，分析其頻譜成分以獲得相位噪聲的信息。

3. 延遲線法：

使用延遲線（Delay Line）和混頻器（Mixer）來測量相位噪聲。

將振蕩器的輸出信號(hào)通過一個(gè)延遲線，然后與原始信號(hào)一起輸入到混頻器中。

混頻器輸出的差頻信號(hào)包含了相位噪聲信息，通過分析這個(gè)信號(hào)可以計(jì)算出相位噪聲。

4. 零拍法（Zero-Span Method）：

這是一種利用頻譜分析儀的特殊測量技術(shù)，適用于測量非常接近載波的相位噪聲。

將頻譜分析儀的中心頻率設(shè)置為振蕩器的輸出頻率，并將分辨率帶寬調(diào)至最小。

通過觀察載波兩側(cè)的噪聲峰值，可以獲得相位噪聲的估計(jì)值。

5.鑒相器法

鑒相器法通過鑒相器直接測量信號(hào)的相位時(shí)域波動(dòng)，通過FFT變換得到頻域描述的相位噪聲。

圖 2、鑒相器法測量相位噪聲

鑒相器法可以結(jié)合鎖相環(huán)自動(dòng)鎖定待測信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試。另外，鑒相器法可以結(jié)合互相關(guān)算法，使用兩套獨(dú)立的硬件從而大幅提高相位噪聲的測量靈敏度。

鑒相器方法測量相位噪聲的優(yōu)點(diǎn)有：

· 可以區(qū)分調(diào)幅噪聲和相位噪聲

· 測量相位噪聲的靈敏度大幅度提高，互相關(guān)算法可突破儀表自身相位噪聲的限制。鑒相器的載波抑制效果可以回避動(dòng)態(tài)范圍問題。

· 可以測量近載波的相位噪聲。

相位噪聲的測試是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要精確的儀器和正確的測量技巧。不同的測試方法適用于不同的應(yīng)用和頻率范圍。在實(shí)際測量中，工程師需要根據(jù)振蕩器的特性和所需的精度選擇合適的測試方法。此外，測試環(huán)境的控制也很重要，例如溫度、電源噪聲和機(jī)械振動(dòng)等因素都可能影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，進(jìn)行相位噪聲測試時(shí)，應(yīng)當(dāng)在屏蔽良好的環(huán)境中操作，并采取適當(dāng)?shù)母綦x措施以減少外部干擾。