如何快速準(zhǔn)確地測(cè)量相位噪聲

一體化SSA-X相位噪聲測(cè)量解決方案，

實(shí)現(xiàn)速度與精度的統(tǒng)一

相位噪聲測(cè)量用于確定本振、混頻器和放大器等射頻組件的短期頻率穩(wěn)定性。雷達(dá)和數(shù)字通信系統(tǒng)的從業(yè)工程師，需要快速準(zhǔn)確地測(cè)量相位噪聲，以加速產(chǎn)品的開發(fā)。

【相位噪聲】

相位噪聲表示振蕩源在特定時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生相同頻率的程度。針對(duì)短期頻率穩(wěn)定性，工程師測(cè)量的是信號(hào)頻率在秒級(jí)時(shí)間內(nèi)的變化。

圖 1 中的振蕩器產(chǎn)生理想的純正弦波，不包含相位噪聲。

圖 1：理想振蕩器在頻域中顯示

現(xiàn)實(shí)中，振蕩器的相位噪聲會(huì)將信號(hào)功率擴(kuò)展到相鄰頻率，如圖 2 中的紅線所示。

圖 2：振蕩器的信號(hào)能量隨噪聲邊帶而擴(kuò)散

這些由熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲引起的噪聲能量邊帶基于載波對(duì)稱。

【測(cè)量相位噪聲】

單邊帶 (SSB) 相位噪聲 L(f) 是指載波特定偏移頻率處的功率密度與載波信號(hào)總功率的比率，如圖 3 所示。

圖 3：相位噪聲測(cè)量

相位噪聲測(cè)量采用相對(duì)于載波的偏移頻率 fm。由于噪聲能量邊帶對(duì)稱地出現(xiàn)在載波周圍，因此在單邊帶上進(jìn)行測(cè)量足以獲得相位噪聲。在 1 Hz 測(cè)量帶寬中測(cè)量噪聲能量的功率譜密度結(jié)果以 dBc/Hz 為單位。

【絕對(duì)相位噪聲】

絕對(duì)相位噪聲是指由 1 端口器件（例如振蕩器）產(chǎn)生的相位噪聲，如圖 4 所示。絕對(duì)相位噪聲是諸如Keysight VXG等信號(hào)發(fā)生器的關(guān)鍵指標(biāo)。

圖 4：SSA-X 信號(hào)源分析儀上的絕對(duì)相位噪聲測(cè)量設(shè)置

【殘余相位噪聲】

殘余相位噪聲（或加性噪聲）是指由多端口設(shè)備（如放大器）工作時(shí)添加到信號(hào)中的噪聲，如圖 5 所示。為了準(zhǔn)確測(cè)量多端口設(shè)備的噪聲貢獻(xiàn)，殘余噪聲測(cè)量需要消除源噪聲。

圖 5：SSA-X 信號(hào)源分析儀上的殘余相位噪聲測(cè)量設(shè)置

【相位噪聲對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)的影響】

雷達(dá)檢測(cè)回波的頻移以確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。圖 6 顯示了雷達(dá)系統(tǒng)框圖。

圖 6：雷達(dá)系統(tǒng)框圖

發(fā)射信號(hào)上的相位噪聲掩蓋了目標(biāo)多普勒信號(hào)，如圖 7 所示。與靜止物體的雜波相比，移動(dòng)目標(biāo)信號(hào)的回波幅度很小。雖然濾波可以有效消除雜波，但它并未考慮隨機(jī)噪聲，從而導(dǎo)致錯(cuò)過目標(biāo)并降低準(zhǔn)確性。

圖 7：多普勒信號(hào)被雜波所屏蔽

【相位噪聲對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)的影響】

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)字發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中的相位噪聲會(huì)導(dǎo)致誤碼率 (BER) 增加。圖8顯示了數(shù)字通信系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)中的相位噪聲會(huì)導(dǎo)致符號(hào)偏移、頻譜再生和信道干擾。

圖8：數(shù)字通信系統(tǒng)框圖

符號(hào)偏移會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)錯(cuò)誤。隨著信號(hào)功率的增加，I 和 Q 幅度增加，導(dǎo)致符號(hào)擴(kuò)散到距原本點(diǎn)位更遠(yuǎn)的地方。距離原本點(diǎn)位越遠(yuǎn)的符號(hào)擴(kuò)散得越多，如圖 9 中的綠色所示。

高階調(diào)制格式意味著更窄的符號(hào)決策邊界，如圖 9 中的黑色網(wǎng)格線所示。因此，符號(hào)偏移會(huì)增加高階調(diào)制格式的符號(hào)錯(cuò)誤率和誤碼率。

圖9：由于決策邊界較窄，

較高的調(diào)制方案難以容忍相位噪聲引起的符號(hào)偏移

【相位噪聲分析儀】

相位噪聲分析儀的靈敏度是指儀器能夠準(zhǔn)確測(cè)量的最低相位噪聲水平。工程師使用交叉頻譜平均（也稱為互相關(guān)）來消除儀器噪聲。這提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性，但也增加了測(cè)試時(shí)間。

初始靈敏度和儀器通過互相關(guān)來降低本底噪聲的速度決定了相位噪聲分析儀的質(zhì)量。儀器的系統(tǒng)噪聲應(yīng)低于被測(cè)設(shè)備（DUT）的噪聲。工程師通常要求10 dB以上的余量。

【相位噪聲測(cè)量挑戰(zhàn)】

精確的相位噪聲測(cè)量需要低噪聲源、復(fù)雜的測(cè)量設(shè)置、快速互相關(guān)方法以及在絕對(duì)和殘余相位噪聲測(cè)量設(shè)置之間切換的能力。通常，開發(fā)人員需要更多的分析方法，例如雜散搜索和瞬態(tài)分析，以實(shí)現(xiàn)完整的器件表征。

Keysight E505xA SSA-X 架構(gòu)為相位噪聲測(cè)量提供了優(yōu)異的速度和靈敏度。

SSA-X 信號(hào)源分析儀提供高達(dá) 54 GHz 的一體化相位噪聲測(cè)量解決方案。該綜合測(cè)量平臺(tái)不僅支持高靈敏度絕對(duì)和殘余相位噪聲分析，還支持多種測(cè)量應(yīng)用，包括 VCO 表征、頻率瞬態(tài)分析和頻譜分析等，如圖10 所示。

圖 10：信號(hào)源分析儀提供多種測(cè)量來支持相位噪聲表征

SSA-X 使用 IQ 解調(diào)來測(cè)量相位噪聲。信號(hào)通過內(nèi)部功率分配器、分離并下變頻至中頻 (IF)。具有低相位噪聲 LO 的相同測(cè)量接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)互相關(guān)。IQ 解調(diào)器允許同時(shí)測(cè)量相位噪聲和 AM 噪聲，頻率高達(dá) 30 MHz；超過 30MHz 偏移后，儀器將測(cè)量相位噪聲 / AM 之和。

傳統(tǒng)上，相位噪聲測(cè)量使用相位檢波器測(cè)量方法從信號(hào)源中減去載波和噪聲，因此僅測(cè)量 DUT 的噪聲。SSA-X 架構(gòu)使用數(shù)字信號(hào)處理來消除源信號(hào)和 LO 信號(hào)，從而提高了相位噪聲測(cè)量的速度和靈敏度，如圖 11 所示。

圖 11：SSA-X 信號(hào)源分析儀產(chǎn)品系列的絕對(duì)相位噪聲靈敏度

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