如何快速准确地测量相位噪声

如何快速准确地测量相位噪声

相位噪声测量是评估射频组件短期频率稳定性的关键手段，对于雷达和数字通信系统的性能优化至关重要。本文将详细介绍相位噪声的基本概念、测量方法及其在实际应用中的影响，并重点介绍Keysight E505xA SSA-X架构在相位噪声测量中的优势。

相位噪声的基本概念

相位噪声表示振荡源在特定时间段内产生相同频率的程度。针对短期频率稳定性，工程师测量的是信号频率在秒级时间内的变化。

图 1：理想振荡器在频域中显示

现实中，振荡器的相位噪声会将信号功率扩展到相邻频率，如图 2 中的红线所示。

图 2：振荡器的信号能量随噪声边带而扩散

这些由热噪声、散粒噪声和闪烁噪声引起的噪声能量边带基于载波对称。

相位噪声的测量方法

单边带 (SSB) 相位噪声 L(f) 是指载波特定偏移频率处的功率密度与载波信号总功率的比率，如图 3 所示。

图 3：相位噪声测量

相位噪声测量采用相对于载波的偏移频率 fm。由于噪声能量边带对称地出现在载波周围，因此在单边带上进行测量足以获得相位噪声。在 1 Hz 测量带宽中测量噪声能量的功率谱密度结果以 dBc/Hz 为单位。

绝对相位噪声与残余相位噪声

绝对相位噪声是指由 1 端口器件（例如振荡器）产生的相位噪声，如图 4 所示。绝对相位噪声是诸如Keysight VXG等信号发生器的关键指标。

图 4：SSA-X 信号源分析仪上的绝对相位噪声测量设置

残余相位噪声（或加性噪声）是指由多端口设备（如放大器）工作时添加到信号中的噪声，如图 5 所示。为了准确测量多端口设备的噪声贡献，残余噪声测量需要消除源噪声。

图 5：SSA-X 信号源分析仪上的残余相位噪声测量设置

相位噪声的影响

对雷达系统的影响

雷达检测回波的频移以确定目标的运动速度。图 6 显示了雷达系统框图。

图 6：雷达系统框图

发射信号上的相位噪声掩盖了目标多普勒信号，如图 7 所示。与静止物体的杂波相比，移动目标信号的回波幅度很小。虽然滤波可以有效消除杂波，但它并未考虑随机噪声，从而导致错过目标并降低准确性。

图 7：多普勒信号被杂波所屏蔽

对数字通信系统的影响

在数字通信系统中，数字发射机和接收机中的相位噪声会导致误码率 (BER) 增加。图8显示了数字通信系统框图。该系统中的相位噪声会导致符号偏移、频谱再生和信道干扰。

图8：数字通信系统框图

符号偏移会导致检测错误。随着信号功率的增加，I 和 Q 幅度增加，导致符号扩散到距原本点位更远的地方。距离原本点位越远的符号扩散得越多，如图 9 中的绿色所示。

高阶调制格式意味着更窄的符号决策边界，如图 9 中的黑色网格线所示。因此，符号偏移会增加高阶调制格式的符号错误率和误码率。

图9：由于决策边界较窄，较高的调制方案难以容忍相位噪声引起的符号偏移

相位噪声分析仪

相位噪声分析仪的灵敏度是指仪器能够准确测量的最低相位噪声水平。工程师使用交叉频谱平均（也称为互相关）来消除仪器噪声。这提高了测量的准确性，但也增加了测试时间。

初始灵敏度和仪器通过互相关来降低本底噪声的速度决定了相位噪声分析仪的质量。仪器的系统噪声应低于被测设备（DUT）的噪声。工程师通常要求10 dB以上的余量。

相位噪声测量挑战

精确的相位噪声测量需要低噪声源、复杂的测量设置、快速互相关方法以及在绝对和残余相位噪声测量设置之间切换的能力。通常，开发人员需要更多的分析方法，例如杂散搜索和瞬态分析，以实现完整的器件表征。

Keysight E505xA SSA-X 架构为相位噪声测量提供了优异的速度和灵敏度。SSA-X 信号源分析仪提供高达 54 GHz 的一体化相位噪声测量解决方案。该综合测量平台不仅支持高灵敏度绝对和残余相位噪声分析，还支持多种测量应用，包括 VCO 表征、频率瞬态分析和频谱分析等，如图10 所示。

图 10：信号源分析仪提供多种测量来支持相位噪声表征

SSA-X 使用 IQ 解调来测量相位噪声。信号通过内部功率分配器、分离并下变频至中频 (IF)。具有低相位噪声 LO 的相同测量接收机可实现互相关。IQ 解调器允许同时测量相位噪声和 AM 噪声，频率高达 30 MHz；超过 30MHz 偏移后，仪器将测量相位噪声 / AM 之和。

传统上，相位噪声测量使用相位检波器测量方法从信号源中减去载波和噪声，因此仅测量 DUT 的噪声。SSA-X 架构使用数字信号处理来消除源信号和 LO 信号，从而提高了相位噪声测量的速度和灵敏度，如图 11 所示。

图 11：SSA-X 信号源分析仪产品系列的绝对相位噪声灵敏度