精准测量相位噪声技巧详解

1）相位噪声定义及表征

相位噪声是由频率源的内部噪声对振荡信号的频率和相位均产生调制而引起输出频率的随机相位或频率的起伏。它描述的是在短期时间间隔内引起频率源输出频率不稳定性的所有包含因素，是频率信号边带谱噪声的度量，是频率源短期稳定度的直接反映。

图4-69　在频域中相位噪声表现为载波两边的噪声边带

在时域内，相位噪声表现为波形零点处的抖动。在频域内，相位噪声表现为载波的边带，如图4-69所示。

一个纯正弦波可以表示为：

式中：V0——正弦波信号的幅度；

f0——正弦波信号的频率。

一个有幅度和频率起伏的正弦波表示为

式中：a（t）——幅度噪声；

φ（t）——相位噪声。

注意：这个噪声过程同幅度调制和相位调制过程是相似的。幅度调制不影响频率稳定度，而其产生的噪声也远小于相位调制产生的噪声。信号的噪声边带主要由相位调制引起，故实际测量中常用单边带相位噪声来表示短期频率稳定度。单边带相位噪声定义为：偏离载波频率foff处，每赫兹带宽的单边带功率与载波功率之比。单边带相位噪声表征信号短期稳定度信息量最大，也是最常用的一种方法。用分贝表示的单边带相位噪声为：

式中：ψ（foff）——相位噪声（dBc/Hz）；

PSSB——每赫兹带宽的单边带噪声功率（dBm/Hz）；

Pc——噪波功率（dBm）。

2）相位噪声测量方法(www.xing528.com)

图4-70　SSB相位噪声定义

利用频谱分析仪测量相位噪声是一种简易的方法，仅适合于要求不高的场合，同时也是应用广泛且十分有效的方法。其显著特点是：简单方便，易操作。但是所使用的频谱分析仪灵敏度要高，也就是其本底噪声要足够低，所测量的相位噪声要大于频谱分析仪的内部噪声，否则无法进行测量。如图4-70所示为SSB相位噪声定义。

利用频谱分析仪的码刻功能，可直接测量载波功率电平Pc（dBm），移动码刻到指定的频偏处，测量单边带相位噪声功率PSSB（dBm），频偏为foff处的相位噪声功率为：

现代频谱分析仪均具有归一化噪声功率测量功能，因此可以用频谱分析仪的码刻噪声功能和码刻Δ功能直接测量出相位噪声的大小。利用频谱分析仪测量相位噪声的步骤如下：

（1）按照测试原理图建立相位噪声测试系统，系统仪器设备加电预热，使系统仪器设备工作正常。

（2）设置待测源的频率和输出功率电平，用射频电缆将待测源的输出信号接频谱分析仪的输入端口。

（3）合理设置频谱分析仪的状态参数。如设置频谱分析仪的中心频率为待测源的输出频率；设置频谱分析仪的参考电平，使其略大于或等于待测信号的幅度；设置适当的扫频带宽，使频谱分析仪可显示一个或两个噪声边带。

（4）利用频谱分析仪的噪声测量功能和码刻Δ功能，直接测量指定频偏处相位噪声。

（5）改换测试频率，重复上述步骤，同理测量其他频率的相位噪声。

这里给出了扫频信号源在1 GHz时的相位噪声测量结果。所用的频谱分析仪为AgilentE4447，信号源为单载波工作模式，输出频率为1 GHz，功率电平为-10 dBm，图4-71中心频率为1.820 7 GHz、频宽为10 kHz、频偏为1 kHz处单边带相位噪声功率相对于载波信号的电平差值，-80 dBc/Hz；图4-72中心频率为1.440 GHz、频宽为200 kHz、频偏为20 kHz处，单边带相位噪声功率相对于载波信号的电平差值，已知频谱分析仪的分辨带宽为1.8 kHz，则不同频偏处的相位噪声为-85 dBc/Hz。图4-73为X波段频综器相噪曲线。

图4-71　频偏为20 kHz处单边带相位噪声功率

图4-72　频偏为20 kHz处单边带相位噪声功率

图4-73　X波段频综器相噪曲线