2021年06月21日 | 主要相位噪声测量技术

2021-06-21 来源：eefocus

相位噪声概览

相位噪声是衡量信号发生器件品质的最重要指标之一，在航空航天与国防以及通信领域的应用中起着重要的作用。相位噪声是表征频率稳定性的基本概念。频率稳定性是指振荡源在规定的时间段内产生相同频率的一种度量。频率稳定性又分为长期稳定性和短期稳定性。

长期频率稳定性描述几小时、几天、几个月甚至几年内的频率变化特性。而短期频率稳定性指若干秒内额定载波频率的变化。这里主要介绍短期频率稳定性。在量化相位噪声的众多技术指标中，最常用的测量指标是“单边带(SSB) 相位噪声”。从数学角度来讲，美国国家标准与技术研究院(NIST)将其定义为偏离载波频率处单位带宽内的单边带信号功率与载波信号总功率的比值。

主要的相位噪声测量技术

直接频谱技术

这是最简单最经典的相位测量技术。如图 1 所示，将被测件 (DUT) 的信号输入频谱仪/信号分析仪，将信号分析仪调谐到被测件频率，直接测量振荡器的功率谱密度。由于该方法对频谱密度的测量是在存在载波的情况下进行，因此频谱仪/信号分析仪的动态范围对测量范围有较大影响。

虽然不太适合测量非常靠近载波的相位噪声，但该方法可以非常方便地快速测定具有相对高噪声的信号源质量。测量在满足以下条件时有效:

● 频谱仪/信号分析仪在相关偏置时的本身 SSB 相位噪声必须低于被测件噪声。

● 由于频谱仪/信号分析仪测量总体噪声功率，不会区分调幅噪声与相位噪声，被测件的调幅噪声必须远低于相位噪声 (通常 10 dB 即可)。

图 1. 直接频谱测量技术

鉴相器技术

如果需要分离相位噪声和调幅噪声，则需使用鉴相器法进行相位噪声的测量。图 2 描述了鉴相器技术的基础概念。鉴相器可将两个输入信号的相位差转换为鉴相器输出端的电压。相位差设置为 90° (正交) 时，电压输出为 0 V。偏离正交的任何相位波动都将引发输出端的电压变化。

图 2. 鉴相器技术的基础概念

目前已根据鉴相器原理开发了多种测量方法。其中，参考信号源 /PLL (锁相环) 和鉴频器方法应用最广泛。

E5505A 解决方案以“鉴相器”技术为基础，专门用于测量被测件的相位噪声性能。它是一个模块化系统，支持广泛的系统元器件选择，可满足不同的相位噪声测量需求。E5500 体系结构可支持标准仪器、相位噪声元器件和 PC 软件，具有最高的灵活性和资产重复利用率。

参考信号源/PLL 方法

如图 3 所示，该方法是将双平衡混频器用作鉴相器。两个信号源，分别来自被测件和参考信号源，为混频器提供输入。调整参考信号源与被测件具有相同的载波频率 (fc)，并设为额定相位正交 (异相 90°)。混频器的相加频率 (2fc) 将由低通滤波器 (LPF) 滤出，混频器的相减差频为 0 Hz (dc)，平均电压输出为 0 V。

该直流信号带有交流电压波动，该波动与两个输入信号的合成 (总 rms)噪声成比例。为了精确测量被测件信号的相位噪声，参考信号源的相位噪声应该低至可忽略水平，或者得到了很好的表征。基带信号通常会在放大后输入基带频谱分析仪。

参考信号源/PLL 方法提供最佳的总体灵敏度和最广泛的测量范围 (例如 0.01 Hz 至 100 MHz 的频率偏置范围)。另外，该方法对 AM 噪声不敏感，并可以跟踪漂移信号源。但是该方法需要一个干净的可电子调谐参考信号源，而且在测量高漂移率信号源时需要参考信号源必须具有宽的调谐范围。

图 3. 参考信号源 /PLL 技术 - 基础方框图

鉴频器方法

鉴频器方法是鉴相技术的一种，该方法无需使用参考信号源。鉴频器方法降低了测量灵敏度 (尤其在偏置频率靠近载波时)，但是当被测件是更大的噪声源，具有高电平、低速率的相位噪声或者邻近载频的杂散边带较高时，会影响鉴相器 PLL 技术的测量，鉴频器方法则非常适用。

图 4 显示的是使用延迟线的鉴频器方法。将被测件信号经功分器分到两路通道，一路信号相对于另一路信号产生延迟。延迟线将频率起伏转换为相位起伏。调整延迟线或移相器从而确保混频器 (鉴相器) 的两个输入相位正交。之后，鉴相器将相位波动转换为电压波动，电压波动以频率噪声形式在基带频谱分析仪上显示。随后，频率噪声转换为被测件的相位噪声读数。

图 4. 鉴频器方法 - 基础方框图

较长的延迟线可提高灵敏度，但延迟线的插入损耗可能超过信号源功率，并且无法进一步改进。并且，较长延迟线会限制可测得的最大偏置频率。因此该方法非常适用于自由振荡信号源，例如 LC 振荡器或晶体振荡器。

外差 (数字) 鉴相器方法

外差 (数字) 鉴相器方法是模拟延迟线鉴相器方法的修改版，可以测量相对较大相位噪声的不稳定信号源和振荡器。相比 PLL 方法，该方法具有更宽的相位噪声测量范围，在任何频率上都不需要重新连接模拟延迟线。与上述鉴频器方法不同，其相位噪声测量的总体动态范围会受到 LNA 和 ADC 的限制。下一章节将介绍如何通过互相关技术来改善这一限制。

将延迟时间设置为零时，外差 (数字) 鉴相器方法还可以提供方便且精确的 AM 噪声测量，其设置和射频端口连接与进行相位噪声测量时相同。

该方法仅适用于 Keysight E5052B 信号源分析仪。参见图 5 显示的功能方框图。