2021年03月11日 | 如何快速准确地测量信号的相位噪声？

当今，高速半导体技术（例如，RF- CMOS、GaN 和 SiGe）的发展正在将应用频率上限推得越来越高，一直达到微波和毫米波范围。随着新型商业市场应用的要求（例如，汽车雷达、超宽带通信链路和无线 LAN/PAN，以及传统的航空航天和国防应用）变得更为严格，描述信号源的相位噪声特征比过去变得更为重要。

此外，在尽可能多地测试微波信号源的参数时，希望有一种简单且具有成本效益的方法来评估相位噪声。

Keysight E5052B 信号源分析仪 (SSA)以及 E5053A 微波下变频器具有高达 26.5 GHz 的扩展频率范围。

如图1所示，利用 E5053A 微波下变频器，E5052B 信号源分析仪（10 MHz 至 7 GHz ) 中可供使用的所有六个基本功能现在都可以在高达 26.5 GHz的频率范围内使用。利用是德科技或第三方提供的外部谐波混频器，相位噪声测量功能可被扩展到 100 GHz。

图1. E5052B 信号源分析仪的六个基本功能

E5052B 信号源分析仪 在微波载波频率处提供了出色的相位噪声灵敏度。在 NormaI 采集模式下，相位噪声分析的最大频率偏移范围为 1 Hz 至100 MHz, 在Wide采集模式为40 MHz。Wide 采集模式对于测量漂移程度较大的振荡器非常有用。

在图2中，所示测量结果为 21.55 GHz。可以看到 E5052B 和 E5053A 可以测试 21.55 GHz 微波信号或43.10 GHz 等效时钟频率的亚皮秒级抖动（相位噪声）。图3中示出微波频率的典型本底相位噪声。

图2. E5053A 微波下变频器测量的 21.55 GHz抖动

图3. E5053A 微波下变频器系统本底相位噪声

与传统的直接频率分析仪方法或者传统的 PLL 方法相比，E5052B 信号源分析仪 测量相位噪声的速度非常快。例如，在 1 kHz 至 100 MHz 偏移频率范围内，该测量处理能力仅需不到半秒的时间，在1 Hz 至 100 MHz 偏移频率范围内，仅需大约13秒。由于使用了采样率为 250 MSps 的100 MHz 实时基带分析仪，这一级别的相位噪声测量处理能力比传统方法快10倍以上。

在低相位噪声测量中，E5052B 信号源分析仪 的双通道互相关技术（随机噪声消除技术）最多可以将本底噪声降低 20 dB (取决于相关的次数）。尽管提高相关次数会导致测量时间变长，但总测量时间仍然保持在如图 4 所示的合理范围内。在图 5 中给出了使用互相关技术所获得的降噪效果（降噪比）。

图4. 相关次数和PN测量时间的变化关系

对于微波频率的静默（非常低的相位噪声）信号源，E5052B 和 E5053A 通常采用前面提及的互相关技术，可以在 Normal 采集模式（ PLL 方法）中提供出色的灵敏度和极低的本底噪声。

但是，我们有时必须多少描述一下有噪声的振荡器的特征，这些振荡器在微波或毫米波范围内经常伴随着漂移或游移。对于 400 MHz 以上的信号源，由于 PLL 方法在系统响应带宽和相位检测器工作方面存在局限性，所以不能采集一个含有噪声的信号，所以 E5052B 可以在 Wide采集模式下提供一种替代相位噪声测量方法，被称作“外差式数字鉴相器方法”。

图5. 相关次数和降低噪比之间的关系

尽管在Wide采集模式中，最大偏移频率范围被限制为 40 MH（而不是 Normal 采集模式的100 MHz), 但在更高相位噪声测量范围内可以实现大约 10 dB 到 30 dB 的扩展。在描述一个自由振荡的压控振荡器时，这一特征显示出很明显的优点。图 6 中所显示的测量实例显示了NormaI 模式中的“系统 PLL 未锁定”警告，它表示一个 Wide 采集模式中的有噪声的 24 GHz 信号源的正确结果。

除了测量调幅噪声( AM 噪声 ），E5052B 和 E5053A 还可以准确地测量功率和频率，而不需要在射频输入端进行重新连接。图 7 给出了在 24 GHz 所得测量结果的另一个实例。

图6. 24 GHz 有噪声信号源测量

图7. 24 GHz PM 和 AM 噪声

图8显示了E5053A/E5052B的一个简化方框图，以及根据测量模式，在几个参考信号之中的关系。注意，”参考信号2”对于PN和频率测量准确性发挥着关键作用。适当的“参考信号”连接对于保持测量可重复性和稳定性非常重要。

图8 . E5053A+E5052B的内部参考信号连接图

由于 E5052B 和 E5053A 被设计为使用两个独立路径（信号通道）实现从射频到中频的下变频，所以可以很容易地将相位噪声测量扩展到 26.5 GHz以上的毫米波。功率分配器（功分器）和一对外部谐波混频器可以被添加到如图 9 所示的 E5053A，以利用高达110 GHz 的互相关方法。E5052B 中安装的“毫米波应用程序”软件可以帮助设定本机振荡器的频率。

Keysight E5052B 信号源分析仪被设计用于精确测试微波和毫米波频率的相位噪声。通过利用互相关（随机噪声消除）技术、外差式数字鉴相器方，以及采样率为 250 MHz 采样率的低噪声 100 MHz 实时基带分析义，实现了极高的相位噪声灵敏度和很宽的动态范围，而且操作非常简单。

E5052B 的相位噪声测量性能：对自由振荡 VCO 参数的信号源表征的描述，以及瞬态响应参数测试能力，在微波组件评估中提供了最精确和最可靠的测量结果。

图9. 带有外部谐波混频器的毫米波应用程序