一文解析相位噪聲測試

【相位噪聲定義】

頻率不穩(wěn)定性分為長期和短期不穩(wěn)定性。長期不穩(wěn)定性（又稱漂移）描述了長時間內發(fā)生的頻率變化。短期（幾秒或者更短時間）頻率不穩(wěn)定性則分為兩種類型：確定性和隨機性。

確定性變化在頻域中表現(xiàn)為不同的離散分量（也稱為雜散），并且是待測件中周期性現(xiàn)象（例如電源線頻率、振動頻率或混頻產(chǎn)物）的結果。

相位噪聲是頻域中描述具有連續(xù)、非周期性頻譜的CW信號相位的隨機變化。

【相位噪聲測量】

絕對相位噪聲

測量振蕩器或合成器- 對整個信號鏈路生成的信號進行的單端口測量（例如，由放大器、乘法器、混頻器等整個RF鏈路組成的信號發(fā)生器）

殘余相位噪聲

這是器件對信號施加的加性相位噪聲- 它可以是合成器添加到本地參考振蕩器的附加噪聲，也可以是由乘法器、除法器、混頻器、上/下變頻器或放大器添加的相位噪聲。

【相位噪聲的參數(shù)/單位】

相位噪聲測量涉及3 個重要參數(shù)：載波頻率、載波頻率偏置，以及相對于載波功率的功率譜密度。

dBm, dBc, dBc/Hz, 熱噪聲

dBc是信號功率相對于載波信號功率的度量。用于離散 CW 信號而非噪聲功率

dBc/Hz與 dBc 類似，只是歸一化為1Hz測量帶寬，因此稱為功率譜密度(PSD)，用于測量噪聲功率。

dBm用于討論相對于1mW 基準的絕對功率電平。該功率是絕對值，而非載波功率的相對值。

dBm/Hz是1Hz帶寬內測量的相對于1mW基準的功率譜密度。該功率是絕對功率，而非載波功率的相對值。該測量單位對應 kT熱噪底。

熱噪底

所有電子元件都會因其電荷載流子的動能而表現(xiàn)出熱噪聲（又稱 kT 或 Johnson-Nyquist噪聲）。在連續(xù)波的情況下，這會成為具有相等功率 AM 和 PM噪聲分量的調制噪聲：-177 dBm/Hz（物理極限或“噪底”）。其總和就是熟知的290K時的-174 dBm/Hz。

【相位噪聲測量方法】

直接頻譜法

這種測量方法是測量相位噪聲的經(jīng)典方法：直接測量 CW 信號的頻譜及其噪聲邊帶功率。通常這種方法無法將 AM 噪聲與 PM 噪聲分開?，F(xiàn)代相位噪聲分析儀、信號分析儀、示波器和網(wǎng)絡分析儀通過數(shù)字化和解調，將信號轉換為幅度和相位，從而允許在儀器的數(shù)字化帶寬內進行 AM/PM 分離。多通道儀器能夠進行互相關。

模擬鑒相器法

該方法使用雙平衡混頻器作為鑒相器來抑制載波并測量 RF 和 LO 端口之間的相位差。去除載波提高了 ADC 滿量程或接收機前置放大器壓縮水平的上限，因此，通過使用低噪聲系數(shù)的基帶LNA來放大檢測到的相位噪聲以優(yōu)化系統(tǒng)靈敏度。與直接頻譜方法相比，這可以大大提高初始靈敏度，但取決于參考源（ LO) 相位噪聲性能。多通道儀器適合進行互相關操作。

互相關法

這并不是一種獨特的測量方法，而是一種可以使用上述兩種測量方法之一的技術。DUT 信號被分離并發(fā)送到兩個獨立的硬件通道，并在多次采集中計算交叉頻譜、取平均值。兩個通道（來自 DUT）相關或共有的噪聲將被保留，不相關的噪聲（由測量系統(tǒng)產(chǎn)生）將被去除?；ハ嚓P相位噪聲分析儀的終極理論靈敏度是 kT 熱噪底- 代價是計算潛在的數(shù)十億次采集數(shù)據(jù)所需的時間。

【相位噪聲分析儀的關鍵指標】

初始測量系統(tǒng)靈敏度

對于非互相關相位噪聲分析儀，靈敏度表示可以測量的最大動態(tài)范圍（最小相位噪聲）。對于互相關分析儀，這是初始靈敏度（下面的灰色陰影區(qū)域），它將隨著相關增益而提高。

相關因子：1

時間：秒*1

相關增益

相關次數(shù)每增加10倍，相關增益在整個偏置范圍內的初始靈敏度就會提高5dB，直到達到 kT 熱相噪本底。

相關因子：10

時間：秒*10

達到初始靈敏度的測量時間

所有互相關相位噪聲分析儀的相關增益處理方式相同。由于時間和相關次數(shù)成正比，因此達到初始靈敏度（通常是在最近端偏置處的初次相關）所需的時間將決定總測量時間，并允許在相位噪聲分析儀之間進行同類比較。

頻率范圍和偏置頻率

相位噪聲分析儀的頻率范圍決定了可測量的 DUT 的中心頻率?，F(xiàn)代相位噪聲分析儀可以從直流（基帶）到毫米波頻率進行測量。

使用相位噪聲分析儀可以測量近端（小頻偏）相噪，這對于設計恒溫晶振、確定OFDM信號相位噪聲對 EVM 的貢獻以及設計雷達系統(tǒng)尤其重要。

使用相位噪聲分析儀測量遠端（大頻偏）相噪，對于確定相位噪聲對寬帶單載波和多載波應用的EVM的影響以及分析超寬帶的高頻時鐘的相位噪聲（抖動）非常重要。

輸入功率范圍

輸入功率定義了測量的有效動態(tài)范圍，因為相位噪聲始終是噪聲到載波的測量（相對于載波功率），以 dBc/Hz 為單位。

【相位噪聲測量的主要應用場景】

數(shù)字通信

隨著通信系統(tǒng)變得越來越復雜，帶寬變得越來越寬，相位噪聲對系統(tǒng)性能的影響也越來越明顯。對于寬帶高階調制格式，遠端相位噪聲通常是 EVM 的主要貢獻者。

雷達系統(tǒng)

雷達系統(tǒng)需要出色的相位噪聲性能，尤其是在近端頻偏處。多普勒雷達的工作原理是測量由于目標移動而導致頻移的回波信號。雷達本振的相位噪聲最終會出現(xiàn)在目標回波信號和來自靜止物體（例如大地）的非目標雜波反射信號上。雜波信號上的此類相位噪聲可以部分或完全屏蔽目標信號，具體取決于目標信號的電平和與載波的頻率間隔。

OFDM正交頻分復用

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，某些 OFDM 信號使得子載波頻率間隔非常緊密。這些載波會將其相位噪聲延展到相鄰載波上。在這種情況下，近端相位噪聲對系統(tǒng)性能的影響至關重要。載波跟蹤可以幫助緩解這種情況。

【Keysight 相位噪聲測試解決方案】

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?絕對/AM/基帶/脈沖/瞬態(tài)分析

?輸入頻率：1MHz - 54GHz(可擴展至毫米波頻段)

?頻率偏置：1mHz - >1GHz

?為VCO測試提供DC控制和電源

?互相關法

?直接頻譜法

N5511A PNTS相噪測試系統(tǒng)

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? 絕對/殘余/AM/基帶/脈沖

? 輸入頻率：50kHz – 40GHz

? 頻率偏置：0.01Hz – 160MHz

? 互相關

? 模擬鑒相器

? 可擴展至毫米波頻率

信號分析儀

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? 絕對/AM/脈沖

? 輸入頻率：取決于信號分析儀頻率

? 頻率偏置：取決于信號分析儀

? 直接頻譜法

網(wǎng)絡分析儀

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?絕對/殘余/AM/基帶/瞬態(tài)/脈沖

?輸入頻率：10MHz – 70GHz/125GHz

?頻率偏置：100mHz - 10 MHz

?直接頻譜法

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? 絕對/AM/基帶

? 輸入/偏置頻率組合高達儀器的完整帶寬

? 互相關

? AM/PM分離

? 直接頻譜法

審核編輯：劉清