解析相位噪聲測試

【相位噪聲定義】

頻率不穩(wěn)定性可區(qū)分為長期與短期兩種類型。長期不穩(wěn)定性，亦稱漂移，指的是在較長時(shí)間跨度內(nèi)發(fā)生的頻率變化現(xiàn)象。而短期不穩(wěn)定性，通常涉及幾秒鐘或更短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)，則進(jìn)一步細(xì)分為確定性和隨機(jī)性兩類。

確定性變化在頻域中體現(xiàn)為特定的離散分量，即所謂的雜散信號(hào)，它們通常是被測設(shè)備內(nèi)部周期性因素（如電源線頻率、振動(dòng)頻率或混頻產(chǎn)物等）導(dǎo)致的結(jié)果。

另一方面，相位噪聲則用于描述頻域中連續(xù)且非周期性的載波信號(hào)相位所發(fā)生的隨機(jī)變化，它反映了信號(hào)穩(wěn)定性的另一層面。

【相位噪聲測量】

絕對(duì)相位噪聲

對(duì)振蕩器或合成器進(jìn)行測量時(shí)，指的是對(duì)整個(gè)信號(hào)鏈路生成的信號(hào)執(zhí)行單端口測量。這包括評(píng)估由一系列組件如放大器、乘法器、混頻器等組成的完整RF鏈路所產(chǎn)生信號(hào)的性能。這種測量方式適用于信號(hào)發(fā)生器的整體輸出評(píng)估，確保從信號(hào)源到最終輸出的各個(gè)環(huán)節(jié)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求和預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。通過這種方式，可以全面分析信號(hào)的純度、穩(wěn)定性和其他關(guān)鍵特性。

殘余相位噪聲

殘余相位噪聲指的是器件對(duì)信號(hào)引入的加性相位噪聲。具體來說，這種噪聲可以是由合成器添加到本地參考振蕩器上的額外噪聲，也可以是由乘法器、除法器、混頻器、上/下變頻器或放大器等組件引入的相位噪聲。這類噪聲影響信號(hào)的純凈度和穩(wěn)定性，是衡量器件性能的一個(gè)重要指標(biāo)。理解并最小化殘余相位噪聲對(duì)于優(yōu)化通信系統(tǒng)和其他依賴高精度信號(hào)處理的應(yīng)用至關(guān)重要。

【相位噪聲的參數(shù)/單位】

相位噪聲測量涉及3 個(gè)重要參數(shù)：載波頻率、載波頻率偏置，以及相對(duì)于載波功率的功率譜密度。

dBm, dBc, dBc/Hz, 熱噪聲

dBc是信號(hào)功率相對(duì)于載波信號(hào)功率的度量。 用于離散 CW 信號(hào)而非噪聲功率

dBc/Hz與 dBc 類似，只是歸一化為1Hz測量帶寬，因此稱為功率譜密度 (PSD)，用于測量噪聲功率。

dBm用于討論相對(duì)于1mW 基準(zhǔn)的絕對(duì)功率電平。該功率是絕對(duì)值，而非載波功率的相對(duì)值。

dBm/Hz是1Hz帶寬內(nèi)測量的相對(duì)于1mW基準(zhǔn)的功率譜密度。該功率是絕對(duì)功率，而非載波功率的相對(duì)值。該測量單位對(duì)應(yīng) kT熱噪底。

熱噪底

所有電子元件由于電荷載流子的動(dòng)能都會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，這種噪聲也被稱為Johnson-Nyquist噪聲或kT噪聲。在連續(xù)波的情形下，這種噪聲表現(xiàn)為具有相等功率的幅度調(diào)制（AM）和相位調(diào)制（PM）噪聲分量，其強(qiáng)度達(dá)到了物理極限，即所謂的“噪底”，為-177 dBm/Hz。當(dāng)計(jì)算總的噪聲水平時(shí)，在290K（室溫）條件下，這一數(shù)值則為熟知的-174 dBm/Hz。這一參數(shù)是衡量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，尤其是在高靈敏度接收器和其他需要高度信號(hào)純凈度的應(yīng)用中尤為重要。

【相位噪聲測量方法】

直接頻譜法

這種測量方法代表了測量相位噪聲的經(jīng)典途徑，即直接評(píng)估連續(xù)波（CW）信號(hào)的頻譜及其噪聲邊帶功率。傳統(tǒng)上，這種方法難以區(qū)分幅度調(diào)制（AM）噪聲和相位調(diào)制（PM）噪聲。然而，現(xiàn)代相位噪聲分析儀、信號(hào)分析儀、示波器以及網(wǎng)絡(luò)分析儀通過采用數(shù)字化和解調(diào)技術(shù)，將信號(hào)分解為幅度和相位分量，從而實(shí)現(xiàn)在儀器的數(shù)字化帶寬內(nèi)對(duì)AM和PM噪聲進(jìn)行分離。此外，多通道儀器能夠執(zhí)行互相關(guān)處理，進(jìn)一步增強(qiáng)了噪聲分析的精確度和可靠性。這一進(jìn)步使得我們能夠更細(xì)致地了解信號(hào)的特性，并改進(jìn)了各類電子設(shè)備的性能評(píng)估與優(yōu)化工作。

模擬鑒相器法

此方法采用雙平衡混頻器作為鑒相器，用以抑制載波并測量RF和LO端口間的相位差。通過去除載波，這種方法提升了ADC滿量程范圍或接收機(jī)前置放大器的壓縮電平上限。為了優(yōu)化系統(tǒng)靈敏度，可通過使用具有低噪聲系數(shù)的基帶低噪聲放大器（LNA）來放大檢測到的相位噪聲。相較于直接頻譜分析方法，這種技術(shù)能夠顯著提高初始測量靈敏度，不過其效果高度依賴于參考源（即LO）的相位噪聲性能。此外，多通道儀器能夠執(zhí)行互相關(guān)操作，這進(jìn)一步增強(qiáng)了測量精度和可靠性。這種方法不僅提高了對(duì)細(xì)微相位變化的檢測能力，同時(shí)也為精密信號(hào)分析提供了強(qiáng)有力的支持。

互相關(guān)法

這并不是一種獨(dú)立的測量方法，而是可以利用前述兩種測量技術(shù)之一來實(shí)現(xiàn)的一種策略。具體做法是將被測設(shè)備（DUT）產(chǎn)生的信號(hào)分離，并分別送入兩個(gè)獨(dú)立的硬件通道。然后，在多次采集中計(jì)算這兩個(gè)通道間的交叉頻譜并取平均值。這樣處理后，兩個(gè)通道中共有的噪聲（即來自DUT的噪聲）會(huì)被保留下來，而不相關(guān)的噪聲（通常由測量系統(tǒng)引入）則會(huì)被有效去除。使用互相關(guān)技術(shù)的相位噪聲分析儀理論上能夠達(dá)到接近kT熱噪底的極限靈敏度，不過，實(shí)現(xiàn)這一高靈敏度需要耗費(fèi)大量時(shí)間來處理可能涉及數(shù)十億次采集的數(shù)據(jù)。這種方法雖然計(jì)算成本較高，但它極大地提高了測量精度和可靠性，特別適用于對(duì)噪聲水平極低的信號(hào)進(jìn)行精確分析。

【相位噪聲分析儀的關(guān)鍵指標(biāo)】

初始測量系統(tǒng)靈敏度

對(duì)于非互相關(guān)相位噪聲分析儀而言，其靈敏度指的是能夠測量的最小相位噪聲水平，即最大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)可檢測到的最弱信號(hào)。這定義了設(shè)備在沒有采用任何增強(qiáng)技術(shù)情況下的基線性能。

相關(guān)因子：1

時(shí)間：秒*1

相關(guān)增益

相關(guān)次數(shù)每增加10倍，相關(guān)增益在整個(gè)偏置范圍內(nèi)的初始靈敏度就會(huì)提高5dB，直到達(dá)到 kT 熱相噪本底。

相關(guān)因子：10

時(shí)間：秒*10

達(dá)到初始靈敏度的測量時(shí)間

所有互相關(guān)相位噪聲分析儀在處理相關(guān)增益時(shí)采用的方式基本相同。由于測量時(shí)間與相關(guān)次數(shù)成正比，因此達(dá)到初始靈敏度（通常是在最近端偏移處完成首次相關(guān)）所需的時(shí)間將直接影響總測量時(shí)間。這一特性為不同相位噪聲分析儀之間的性能比較提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得同類設(shè)備間的測量效率和靈敏度表現(xiàn)得以公平評(píng)估。通過關(guān)注初始相關(guān)所需的時(shí)間，用戶可以更直觀地了解設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的響應(yīng)速度和整體性能。

頻率范圍和偏置頻率

相位噪聲分析儀的頻率范圍決定了可測量器件（DUT）的中心頻率?，F(xiàn)代相位噪聲分析儀能夠支持從直流（基帶）到毫米波頻率的廣泛測量需求。利用這種分析儀，可以有效地評(píng)估近端（小頻偏）相位噪聲，這對(duì)于設(shè)計(jì)恒溫晶振、確定OFDM信號(hào)中相位噪聲對(duì)誤差向量幅度（EVM）的影響，以及雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。同時(shí)，通過相位噪聲分析儀測量遠(yuǎn)端（大頻偏）相位噪聲，有助于了解相位噪聲對(duì)寬帶單載波和多載波應(yīng)用中的EVM影響，并且對(duì)于分析超寬帶高頻時(shí)鐘的相位噪聲（或稱為抖動(dòng)）也非常關(guān)鍵。這種寬頻段的支持使得相位噪聲分析儀成為從精密時(shí)鐘設(shè)計(jì)到復(fù)雜通信系統(tǒng)開發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域的必備工具。

輸入功率范圍

輸入功率定義了測量的有效動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)橄辔辉肼暿冀K是噪聲到載波的測量（相對(duì)于載波功率），以 dBc/Hz 為單位。

【相位噪聲測量的主要應(yīng)用場景】

數(shù)字通信

隨著通信系統(tǒng)復(fù)雜性的增加以及帶寬的不斷擴(kuò)展，相位噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響變得日益顯著。特別是在采用寬帶高階調(diào)制格式的場景下，遠(yuǎn)端相位噪聲通常成為誤差向量幅度（EVM）的主要貢獻(xiàn)者之一。

雷達(dá)系統(tǒng)

雷達(dá)系統(tǒng)確實(shí)對(duì)相位噪聲性能有嚴(yán)格的要求，特別是對(duì)于近端頻偏的控制尤為重要。多普勒雷達(dá)通過測量目標(biāo)移動(dòng)引起的回波信號(hào)頻率變化來工作。然而，雷達(dá)本地振蕩器（LO）的相位噪聲會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在目標(biāo)回波信號(hào)和來自非目標(biāo)靜止物體（如大地反射產(chǎn)生的雜波）上。這種情況下，相位噪聲可能會(huì)部分甚至完全掩蓋目標(biāo)信號(hào)，具體情況取決于目標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度及其相對(duì)于載波的頻率偏移。

OFDM正交頻分復(fù)用

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，特別是使用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的場景下，子載波之間的頻率間隔設(shè)計(jì)得非常緊密。這種緊湊的排列方式雖然提高了頻譜效率，但也意味著每個(gè)載波的相位噪聲可能會(huì)擴(kuò)展并影響到相鄰的載波，導(dǎo)致信號(hào)間的干擾增加。在這種情況下，近端相位噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響變得尤為關(guān)鍵，因?yàn)樗梢灾苯佑绊懙綌?shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。