揭秘相位噪聲，提升測(cè)試效率

相位噪聲測(cè)量是評(píng)估本振、混頻器及放大器等射頻組件短期頻率穩(wěn)定性的重要手段。對(duì)于致力于雷達(dá)和數(shù)字通信系統(tǒng)的工程師而言，能夠快速且準(zhǔn)確地進(jìn)行相位噪聲的測(cè)量，是推動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程的關(guān)鍵。這樣的測(cè)量能力不 有助于提高工作效率，還能確保產(chǎn)品的性能達(dá)到良好。

相位噪聲反映了振蕩源在特定時(shí)間段內(nèi)維持相同頻率穩(wěn)定性的能力。針對(duì)短期頻率穩(wěn)定性，工程師們測(cè)量的是信號(hào)頻率在秒級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生的波動(dòng)。這樣的測(cè)量對(duì)于評(píng)估和提升通信系統(tǒng)及雷達(dá)設(shè)備的性能至關(guān)重要。

圖 1 中的振蕩器產(chǎn)生理想的正常弦波，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。

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)量通常基于相對(duì)于載波的偏移頻率 fm 進(jìn)行評(píng)估。鑒于噪聲能量邊帶在載波兩側(cè)對(duì)稱分布， 需在單邊帶中進(jìn)行測(cè)量即可獲取相位噪聲特性。在1 Hz的測(cè)量帶寬下，所測(cè)得的噪聲能量功率譜密度結(jié)果以dBc/Hz為單位表示。這種測(cè)量方法能夠有效地評(píng)估信號(hào)的純凈度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

相對(duì)相位噪聲是指由單端口器件（如振蕩器）自身產(chǎn)生的相位噪聲，如圖4所示。它是衡量信號(hào)發(fā)生器性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，尤其對(duì)于諸如Keysight VXG等高性能信號(hào)源而言，低相對(duì)相位噪聲是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量信號(hào)輸出的重要保證。

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

殘余相位噪聲（亦稱加性噪聲）是指多端口器件（如放大器）在工作過(guò)程中引入到信號(hào)中的額外噪聲，如圖5所示。為了準(zhǔn)確評(píng)估這類設(shè)備對(duì)信號(hào)噪聲的貢獻(xiàn)，殘余相位噪聲測(cè)量需排除輸入信號(hào)源本身噪聲的影響，從而 反映被測(cè)器件所產(chǎn)生的噪聲成分。這種測(cè)量方法對(duì)于深入理解系統(tǒng)各部分噪聲特性具有重要意義。

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

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

如圖7所示，發(fā)射信號(hào)上的相位噪聲會(huì)掩蓋目標(biāo)的多普勒回波信號(hào)。相比于靜止物體產(chǎn)生的較強(qiáng)雜波，移動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)幅度通常非常微弱。雖然濾波技術(shù)可以有效抑制雜波干擾，但它無(wú)法消除隨機(jī)噪聲的影響，可能導(dǎo)致目標(biāo)信號(hào)被遺漏，從而降低檢測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性。

圖 7：多普勒信號(hào)被雜波所屏蔽

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)偏移可引發(fā)檢測(cè)錯(cuò)誤。隨著信號(hào)功率的提升，I和Q分量的幅度也會(huì)增加，這將導(dǎo)致符號(hào)擴(kuò)散至距離原點(diǎn)更遠(yuǎn)的位置。尤其是遠(yuǎn)離原點(diǎn)的符號(hào)擴(kuò)散現(xiàn)象更為輕微，如圖9中綠色部分所示。

對(duì)于采用高階調(diào)制格式的情況，其符號(hào)決策邊界更為狹窄，如圖9中的黑色網(wǎng)格線所示。因此，符號(hào)偏移會(huì)輕微提高高階調(diào)制格式下的符號(hào)錯(cuò)誤率和誤碼率。這種現(xiàn)象對(duì)通信系統(tǒng)的可靠性和效率提出了更高的要求。

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

相位噪聲分析儀的靈敏度是指其能夠準(zhǔn)確測(cè)量的較低相位噪聲水平。為了消除儀器自身噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，工程師通常采用交叉頻譜平均技術(shù)（也稱為互相關(guān)）。這種方法雖然能夠輕微提升測(cè)量的準(zhǔn)確性，但同時(shí)也會(huì)延長(zhǎng)測(cè)試所需的時(shí)間。

相位噪聲分析儀的整體性能主要由兩個(gè)因素決定：初始靈敏度以及通過(guò)互相關(guān)技術(shù)降低本底噪聲的速度。為確保測(cè)量有效，儀器的系統(tǒng)噪聲應(yīng)輕微低于被測(cè)器件（DUT）的噪聲水平，通常要求具備10 dB以上的裕量，以保證測(cè)量結(jié)果的可靠性與精度。

精確的相位噪聲測(cè)量不 要求具備低噪聲的信號(hào)源、復(fù)雜的測(cè)量配置以及高效的互相關(guān)技術(shù)，還需具備在相對(duì)相位噪聲與殘余相位噪聲測(cè)量模式之間靈活切換的能力。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的片面表征，開(kāi)發(fā)人員通常還需要多種附加分析功能，例如雜散信號(hào)搜索和瞬態(tài)行為分析。

Keysight E505xA SSA-X 架構(gòu)為相位噪聲測(cè)量提供了良好的速度與靈敏度表現(xiàn)。該架構(gòu)集成于SSA-X信號(hào)源分析儀中，提供高達(dá)54 GHz的一體化相位噪聲測(cè)量解決方案。這一高性能測(cè)量平臺(tái)不 支持高精度的相對(duì)相位噪聲和殘余相位噪聲分析，還涵蓋多種應(yīng)用功能，如壓控振蕩器（VCO）特性分析、頻率瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試以及頻譜分析等，如圖10所示。其多功能性和寬頻覆蓋使其成為射頻與微波器件研發(fā)的理想選擇。

圖 10：信號(hào)源分析儀提供多種測(cè)量來(lái)支持相位噪聲表征

SSA-X采用IQ解調(diào)技術(shù)進(jìn)行相位噪聲測(cè)量。輸入信號(hào)通過(guò)內(nèi)部功率分配器被分成多路，并下變頻至中頻（IF）。借助具有較低相位噪聲的本地振蕩器（LO），同一測(cè)量接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)互相關(guān)處理，從而有效提升測(cè)量精度。

IQ解調(diào)器支持同時(shí)測(cè)量相位噪聲和幅度噪聲（AM噪聲），頻率偏移范圍高達(dá)30 MHz；當(dāng)偏移超過(guò)30 MHz時(shí)，儀器將測(cè)量相位噪聲與AM噪聲的總和。傳統(tǒng)相位噪聲測(cè)量通常采用相位檢波器方法，從原始信號(hào)中減去載波及其噪聲成分， 提取被測(cè)器件（DUT）產(chǎn)生的噪聲。

相比之下，SSA-X架構(gòu)通過(guò)先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，能夠有效消除源信號(hào)和LO噪聲的影響，從而輕微提升相位噪聲測(cè)量的速度與靈敏度。該方法不 提高了測(cè)量效率，還增強(qiáng)了在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性，如圖11所示。

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