相位噪聲基礎(chǔ)及測試原理和方法

摘要：相位噪聲指標(biāo)對于當(dāng)前的射頻微波系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等電子系統(tǒng)影響非常明顯，將直接影響系統(tǒng)指標(biāo)的優(yōu)劣。該項指標(biāo)對于系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)計均具有指導(dǎo)意義。相位噪聲指標(biāo)的測試手段很多，如何能夠精準(zhǔn)的測量該指標(biāo)是射頻微波領(lǐng)域的一項重要任務(wù)。隨著當(dāng)前接收機(jī)相位噪聲指標(biāo)越來越高，相應(yīng)的測試技術(shù)和測試手段也有了很大的進(jìn)步。同時，與相位噪聲測試相關(guān)的其他測試需求也越來越多，如何準(zhǔn)確的進(jìn)行這些指標(biāo)的測試也愈發(fā)重要。

1、引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，器件的噪聲系數(shù)越來越低，放大器的動態(tài)范圍也越來越大，增益也大有提高，使得電路系統(tǒng)的靈敏度和選擇性以及線性度等主要技術(shù)指標(biāo)都得到較好的解決。同時，隨著技術(shù)的不斷提高，對電路系統(tǒng)又提出了更高的要求，這就要求電路系統(tǒng)必須具有較低的相位噪聲，在現(xiàn)代技術(shù)中，相位噪聲已成為限制電路系統(tǒng)的主要因素。低相位噪聲對于提高電路系統(tǒng)性能起到重要作用。

相位噪聲好壞對通訊系統(tǒng)有很大影響，尤其現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中狀態(tài)很多，頻道又很密集，并且不斷的變換，所以對相位噪聲的要求也愈來愈高。如果本振信號的相位噪聲較差，會增加通信中的誤碼率，影響載頻跟蹤精度。相位噪聲不好，不僅增加誤碼率、影響載頻跟蹤精度，還影響通信接收機(jī)信道內(nèi)、外性能測量，相位噪聲對鄰近頻道選擇性有影響。如果要求接收機(jī)選擇性越高，則相位噪聲就必須更好，要求接收機(jī)靈敏度越高，相位噪聲也必須更好。

總之，對于現(xiàn)代通信的各種接收機(jī)，相位噪聲指標(biāo)尤為重要，對于該指標(biāo)的精準(zhǔn)測試要求也越來越高，相應(yīng)的技術(shù)手段要求也越來越高。

2、相位噪聲基礎(chǔ)

2.1、什么是相位噪聲

相位噪聲是振蕩器在短時間內(nèi)頻率穩(wěn)定度的度量參數(shù)。它來源于振蕩器輸出信號由噪聲引起的相位、頻率的變化。頻率穩(wěn)定度分為兩個方面：長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度，其中，短期穩(wěn)定度在時域內(nèi)用艾倫方差來表示，在頻域內(nèi)用相位噪聲來表示。

2.2、相位噪聲的定義

IEEE standard 1139-1988：以載波的幅度為參考，在偏移一定的頻率下的單邊帶相對噪聲功率。這個數(shù)值是指在1Hz的帶寬下的相對噪聲電平，其單位為dBc/Hz。該定義最早是基于頻譜儀法測試相位噪聲，不區(qū)分調(diào)幅噪聲和調(diào)相噪聲。

IEEE standard 1139-1999：單邊帶相位噪聲L(f)定義為隨機(jī)相位波動單邊帶功率譜密度Sφ(f)的一半，其單位為dBc/Hz。其中Sφ(f)為隨機(jī)相位波動φ(t)的單邊帶功率譜密度，其物理量綱是rad2/Hz。 該定義基于鑒相器法測量相位噪聲，使載波降頻變換為接近直流，高噪聲下，會引起L(f)和Sφ(f)之間顯著的差異。

3、CW信號相位噪聲的測試原理及方法

3.1、頻譜儀測試法

3.1.1、直接頻譜分析（Marker Function）

該方法按照相位噪聲的基本定義，首先測量中心載波的信號功率，然后測量某一頻偏處噪聲功率，最后做計算即可得到相位噪聲值。

3.1.2、頻譜儀自動測試（Phase Noise）

該方法還是基于頻譜儀測試載波功率和噪聲功率，但是可以自動進(jìn)行測試，并顯示出完整的測試曲線，頻偏范圍可以自由設(shè)定，操作簡便快捷，精準(zhǔn)度比頻譜儀直接測試法要高，測試速度要快。

總之，頻譜儀法測試相位噪聲均基于頻譜測試的結(jié)果進(jìn)行相位噪聲的計算，該測試法無法區(qū)分調(diào)幅噪聲和相位噪聲，靈敏度受儀器固有的相位噪聲限制，無載波抑制，測量范圍受分辨率濾波器形狀因子限制，動態(tài)范圍有限等缺點；但是，該方法測試設(shè)置簡單、快捷，頻率偏移范圍大，可測試很多信號源的特性，比如：雜散發(fā)射、鄰信道功率泄漏、高次諧波；并且可以直接顯示相位噪聲曲線（當(dāng)調(diào)幅噪聲忽略不計時）。

3.2、鑒相器測試法

3.2.1、鑒相器測試原理

鑒相器法是采用被測信號源與一同頻參考信號源進(jìn)行鑒相，鑒相器輸出信號經(jīng)低通濾波器和低噪聲放大器后輸入到頻譜儀或接收機(jī)中。

鑒相器輸入信號兩路正交信號：

鑒相器的輸出信號UIF(t)：

經(jīng)低通濾波，并假定?L= ?R，得到：

對于小的相差， 簡化得到：

3.2.2、延遲線測試法

延遲線法是把被測信號分成兩路，一路信號經(jīng)過延遲線后與另一路經(jīng)過一個移相器移相后的信號進(jìn)行鑒相，然后再濾波放大分析。延遲線的作用是將頻率的變化轉(zhuǎn)化為相位的變化，當(dāng)頻率變化時，將在延遲線中引起相位正比例的變化。雙平衡混頻器將相位變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。

該測試方法具有載波抑制、調(diào)幅噪聲測試功能，測試時不需要額外的參考源，不需要信號同步，頻率漂移不再是問題。但是該測試方法高頻時損耗較大，使得測試靈敏度較低，而且測試時需要校準(zhǔn)，操作較為復(fù)雜。

3.2.3、鎖相環(huán)測試法

由于振蕩器的相位跳動，90度的相位偏移并不能時刻穩(wěn)定。因此需要引人鎖相環(huán)路對相位進(jìn)行鎖定，以保證兩路信號相位穩(wěn)定的相差90度。

由于鎖相環(huán)路的引入會對相位噪聲測量帶來影響，在環(huán)路帶寬內(nèi)，振蕩器的相位噪聲將會被改善，因此在測量過程中需要對環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲進(jìn)行修正。通過鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬特性，可以計算出環(huán)路增益，從而可以對測量結(jié)果進(jìn)行修正。

鑒相器法測試相位噪聲具有很多優(yōu)點。

其中一個重要優(yōu)點是鑒相后信號的載波被抑制，接收機(jī)的中頻增益與載波電平無關(guān)，因此可以大大提高相位噪聲的測試靈敏度。另外，可以采用低噪聲放大器對鑒相后的信號進(jìn)行放大，從而可以降低測量接收機(jī)的噪聲系數(shù)，從而進(jìn)一步提高其測試靈敏度。

同時，對于信號中同時存在的AM噪聲和相位噪聲。可以通過調(diào)整兩路信號的相位差，使鑒相器可以分辨AM噪聲和相位噪聲。如果兩路鑒相信號相位相差90°，則鑒相后輸出對AM噪聲的抑制可以高達(dá)40dB，當(dāng)兩路鑒相信號相位相差 0° 時，則輸出結(jié)果僅有AM噪聲。

該測試方法的另一優(yōu)點是，相位噪聲的測試不在受參考源的限制，因為可以選擇非常好的相位噪聲的源作為測量的參考。

該測試方法還可以采用雙DUT法進(jìn)行相位噪聲的測量，當(dāng)存在兩個相同的高性能被測信號源時可以采用該方法，測量結(jié)果需要做3dB的修正。

但是，對于該測試方法也有相應(yīng)的局限性，該方法設(shè)置相對復(fù)雜，測量前有時需要做測試校準(zhǔn)和PLL參數(shù)計算；相對頻譜儀方法來說，鑒相器法的測量頻偏范圍較窄。同時，由于信號源特性除了相位噪聲指標(biāo)外，還需要測量如諧波特性，雜散特性，鄰信道抑制比等指標(biāo)，而該方法則無法完成這些測量，還需要用頻譜儀功能來實現(xiàn)。

3.3、數(shù)字相位解調(diào)測試法

針對以上測試方法的不足，目前最新的相位噪聲測試的方法為數(shù)字相位解調(diào)法。該測試方法可以直接進(jìn)行I/Q解調(diào)測量, 轉(zhuǎn)換為Sf(f), 再計算L(f)。數(shù)字相位解調(diào)法無鑒相器和鎖相環(huán)，所以不需要進(jìn)行環(huán)路帶寬修正，可以簡化校準(zhǔn)過程。該測試方法可以測量CW相位噪聲，脈沖相位噪聲，附加相位噪聲，脈沖附加相位噪聲等多項指標(biāo)。同時該測試方法具有極低的參考源相位噪聲、高速互相關(guān)，可以明顯提高測試的靈敏度。并且可以在大信號存在時測量小電平信號的相位噪聲。

4、脈沖信號相位噪聲測試原理和方法

脈沖調(diào)制信號的頻譜包含了中心譜線和不同PRF處的譜線。根據(jù)相位噪聲的定義，測試脈沖調(diào)制信號的相位噪聲就需要針對不同脈沖調(diào)制參數(shù)對被測信號進(jìn)行濾波。

4.1、鑒相器法

與使用鑒相器法測試CW信號的相位噪聲相比，測試脈沖信號的相位噪聲指標(biāo)就需要PRF濾波。對PRF濾波也有明確的要求：PRF濾波器必須帶內(nèi)平坦度好、邊緣陡峭；不同的PRF頻率需要不同的PRF濾波器；PRF濾波器必須在PRF/2之內(nèi)有平坦的通帶，在PRF之外有很大衰減；同時PRF濾波器衰減了PRF饋通，總之該PRF相當(dāng)復(fù)雜，實現(xiàn)起來很困難，操作也比較復(fù)雜。

4.2、數(shù)字相位解調(diào)法

數(shù)字相位解調(diào)法得益于強(qiáng)大的數(shù)字處理能力，測試脈沖調(diào)制信號的相位噪聲實現(xiàn)起來就比較簡單，該測試方法具有與CW信號相位噪聲測試相同的結(jié)構(gòu)框圖，沒有鑒相器，無需對參考信號進(jìn)行脈沖調(diào)制。PRF濾波器和脈寬加時間門在DSP中實現(xiàn)，易于處理不同PRF，無需復(fù)雜的校準(zhǔn)，也可實現(xiàn)脈沖附加相噪的測量。

使用數(shù)字相位解調(diào)法測量脈沖信號的相位噪聲首先采用零掃寬自動檢測脈寬和周期，檢測到脈沖信號之后可以自動的根據(jù)脈寬設(shè)置時間門長度，根據(jù)周期設(shè)置最大頻偏，然后進(jìn)行測試。最大可測量頻偏為PRF/2，并且測試時間與連續(xù)波時相同。測試效率較高，操作相對比較簡單、方便。

5、其他相關(guān)測試

5.1、附加（殘余）相位噪聲的測試原理和方法

所謂附加相位噪聲是指由器件或電路附加的相位噪聲。例如放大器，上、下變頻器等。

直接使用頻譜分析儀或者具有鑒相器法測試功能的信號源分析儀測試附加相位噪聲時，一般都需要使用外部信號源和移相器，信號源和移相器指標(biāo)的好壞會直接影響測試結(jié)果，并且實際操作非常復(fù)雜（需要精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)移相器的相位），由于附加相位噪聲指標(biāo)一般來說都比較