5种测量相位噪声的方法
时间：10-02
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相位噪声是衡量频率标准源频稳质量的重要指标，随着频标源性能的不断改善，相应噪声量值越来越小，因而对相位噪声谱的测量要求也越来越高。传统的零拍测量法已面临严重的挑战，特别是在如何减少测量系统本身的噪声对测量结果的影响，提高系统的测量灵敏度方面尤为困难。下面看看相位噪声的含义和测量方法
相位噪声的含义
相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。用一个振荡器信号来解释相位噪声。如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从下图中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。
相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。
图1 相位噪声的含义
主要的相位噪声测量方法
1.直接频谱测量方法
这是最简单最经典的相位测量技术。如图 2 所示，将被测件 (DUT)的信号输入频谱仪/信号分析仪，将信号分析仪调谐到被测件频率，直接测量振荡器的功率谱密度(f)。由于该方法对频谱密度的测量是在存在载波的情况下进行，因此频谱仪/信号分析仪的动态范围对测量范围有较大影响。
虽然不太适合测量非常靠近载波的相位噪声，但该方法可以非常方便地快速测定具有相对高噪声的信号源质量。测量在满足以下条件时有效:
●频谱仪/信号分析仪在相关偏置时的本身 SSB 相位噪声必须低于被测件噪声。
●由于频谱仪/信号分析仪测量总体噪声功率，不会区分调幅噪声与相位噪声，被测件的调幅噪声必须远低于相位噪声 (通常 10 dB即可)。
图2 直接频谱测量方法
2.鉴相器测量方法
如果需要分离相位噪声和调幅噪声，则需使用鉴相器法进行相位噪声的测量。图 3描述了鉴相器技术的基础概念。鉴相器可将两个输入信号的相位差转换为鉴相器输出端的电压。相位差设置为 90° (正交) 时，电压输出为 0V。偏离正交的任何相位波动都将引发输出端的电压变化。
图3 鉴相器工作原理
目前已根据鉴相器原理开发了多种测量方法。其中，参考信号源/PLL (锁相环) 和鉴频器方法应用最广泛。
3. 参考信号源/PLL 测量方法
如图 4所示，该方法是将双平衡混频器用作鉴相器。两个信号源，分别来自被测件和参考信号源，为混频器提供输入。调整参考信号源与被测件具有相同的载波频率(fc)，并设为额定相位正交 (异相 90°)。混频器的相加频率 (2fc) 将由低通滤波器 (LPF) 滤出，混频器的相减差频为 0Hz (dc)，平均电压输出为 0 V。
该直流信号带有交流电压波动，该波动与两个输入信号的合成 (总rms)噪声成比例。为了精确测量被测件信号的相位噪声，参考信号源的相位噪声应该低至可忽略水平，或者得到了很好的表征。基带信号通常会在放大
后输入基带频谱分析仪。
参考信号源/PLL方法提供最佳的总体灵敏度和最广泛的测量范围 (例如 0.01 Hz 至 100 MHz 的频率偏置范围)。另外，该方法对 AM噪声不敏感，并可以跟踪漂移信号源。但是该方法需要一个干净的可电子调谐参考
信号源，而且在测量高漂移率信号源时需要参考信号源必须具有宽的调谐范围。
图4 参考信号源 /PLL 技术 - 基础方框图
4. 鉴频器测量方法
鉴频器方法是鉴相技术的一种，该方法无需使用参考信号源。鉴频器方法降低了测量灵敏度(尤其在偏置频率靠近载波时)，但是当被测件是更大的噪声源，具有高电平、低速率的相位噪声或者邻近载频的杂散边带较高时，会影响鉴相器PLL 技术的测量，鉴频器方法则非常适用。
图 5显示的是使用延迟线的鉴频器方法。将被测件信号经功分器分到两路通道，一路信号相对于另一路信号产生延迟。延迟线将频率起伏转换为相位起伏。调整延迟线或移相器从而确保混频器(鉴相器)的两个输入相位正交。之后，鉴相器将相位波动转换为电压波动，电压波动以频率噪声形式在基带频谱分析仪上显示。随后，频率噪声转换为被测件的相位噪声读数。
图5 鉴频器方法 - 基础方框图
图 6 外差 (数字) 鉴相器方法的方框图
6. 双通道互相关测量技术
该技术结合了两个重复的单通道参考信号源 /PLL 系统，将各个通道的输出端之间进行互相关操作(如图 7 所示)。
图7 双通道互相关技术结合两个鉴相器
通过每个通道的被测件噪声是相干的且不会受到互相关的影响; 但是每个通道的内部产生的噪声不相干，并且通过互相关操作以 M? (M是互相关级数) 速率的降低。这可以表示为:
Nmeas = NDUT + (N1 + N2)/M1/2
其中，Nmeas是显示屏显示的测得总噪声，NDUT 是被测件噪声，N1 和 N2 分别是通道 1 和通道 2 的内部噪声，M是互相关级数。
双通道互相关技术无需非常好的硬件性能，便可实现出色的测量灵敏度。但是，互相关级数增加会影响到测量速度。
相位噪声的含义
相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。用一个振荡器信号来解释相位噪声。如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从下图中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。
相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。
图1 相位噪声的含义
主要的相位噪声测量方法
1.直接频谱测量方法
这是最简单最经典的相位测量技术。如图 2 所示，将被测件 (DUT)的信号输入频谱仪/信号分析仪，将信号分析仪调谐到被测件频率，直接测量振荡器的功率谱密度(f)。由于该方法对频谱密度的测量是在存在载波的情况下进行，因此频谱仪/信号分析仪的动态范围对测量范围有较大影响。
虽然不太适合测量非常靠近载波的相位噪声，但该方法可以非常方便地快速测定具有相对高噪声的信号源质量。测量在满足以下条件时有效:
●频谱仪/信号分析仪在相关偏置时的本身 SSB 相位噪声必须低于被测件噪声。
●由于频谱仪/信号分析仪测量总体噪声功率，不会区分调幅噪声与相位噪声，被测件的调幅噪声必须远低于相位噪声 (通常 10 dB即可)。
图2 直接频谱测量方法
2.鉴相器测量方法
如果需要分离相位噪声和调幅噪声，则需使用鉴相器法进行相位噪声的测量。图 3描述了鉴相器技术的基础概念。鉴相器可将两个输入信号的相位差转换为鉴相器输出端的电压。相位差设置为 90° (正交) 时，电压输出为 0V。偏离正交的任何相位波动都将引发输出端的电压变化。
图3 鉴相器工作原理
目前已根据鉴相器原理开发了多种测量方法。其中，参考信号源/PLL (锁相环) 和鉴频器方法应用最广泛。
3. 参考信号源/PLL 测量方法
如图 4所示，该方法是将双平衡混频器用作鉴相器。两个信号源，分别来自被测件和参考信号源，为混频器提供输入。调整参考信号源与被测件具有相同的载波频率(fc)，并设为额定相位正交 (异相 90°)。混频器的相加频率 (2fc) 将由低通滤波器 (LPF) 滤出，混频器的相减差频为 0Hz (dc)，平均电压输出为 0 V。
该直流信号带有交流电压波动，该波动与两个输入信号的合成 (总rms)噪声成比例。为了精确测量被测件信号的相位噪声，参考信号源的相位噪声应该低至可忽略水平，或者得到了很好的表征。基带信号通常会在放大
后输入基带频谱分析仪。
参考信号源/PLL方法提供最佳的总体灵敏度和最广泛的测量范围 (例如 0.01 Hz 至 100 MHz 的频率偏置范围)。另外，该方法对 AM噪声不敏感，并可以跟踪漂移信号源。但是该方法需要一个干净的可电子调谐参考
信号源，而且在测量高漂移率信号源时需要参考信号源必须具有宽的调谐范围。
图4 参考信号源 /PLL 技术 - 基础方框图
4. 鉴频器测量方法
鉴频器方法是鉴相技术的一种，该方法无需使用参考信号源。鉴频器方法降低了测量灵敏度(尤其在偏置频率靠近载波时)，但是当被测件是更大的噪声源，具有高电平、低速率的相位噪声或者邻近载频的杂散边带较高时，会影响鉴相器PLL 技术的测量，鉴频器方法则非常适用。
图 5显示的是使用延迟线的鉴频器方法。将被测件信号经功分器分到两路通道，一路信号相对于另一路信号产生延迟。延迟线将频率起伏转换为相位起伏。调整延迟线或移相器从而确保混频器(鉴相器)的两个输入相位正交。之后，鉴相器将相位波动转换为电压波动，电压波动以频率噪声形式在基带频谱分析仪上显示。随后，频率噪声转换为被测件的相位噪声读数。
图5 鉴频器方法 - 基础方框图
较长的延迟线可提高灵敏度，但延迟线的插入损耗可能超过信号源功率，并且无法进一步改进。并且，较长延迟线会限制可测得的最大偏置频率。因此该方法非常适用于自由振荡信号源，例如LC 振荡器或晶体振荡器。
5. 外差 (数字)鉴相器测量方法
外差 (数字) 鉴相器方法是模拟延迟线鉴相器方法的修改版，可以测量相对较大相位噪声的不稳定信号源和振荡器。相比 PLL方法，该方法具有更宽的相位噪声测量范围，在任何频率上都不需要重新连接模拟延迟线。与上述鉴频器方法不同，其相位噪声测量的总体动态范围会受到LNA 和 ADC 的限制。后面会介绍如何通过互相关技术来改善这一限制。
将延迟时间设置为零时，外差 (数字) 鉴相器方法还可以提供方便且精确的 AM噪声测量，其设置和射频端口连接与进行相位噪声测量时相同。
该方法仅适用于Agilent E5052B 信号源分析仪。参见图 6 显示的功能方框图。
图 6 外差 (数字) 鉴相器方法的方框图
6. 双通道互相关测量技术
该技术结合了两个重复的单通道参考信号源 /PLL 系统，将各个通道的输出端之间进行互相关操作(如图 7 所示)。
图7 双通道互相关技术结合两个鉴相器
通过每个通道的被测件噪声是相干的且不会受到互相关的影响; 但是每个通道的内部产生的噪声不相干，并且通过互相关操作以 M? (M是互相关级数) 速率的降低。这可以表示为:
Nmeas = NDUT + (N1 + N2)/M1/2
其中，Nmeas是显示屏显示的测得总噪声，NDUT 是被测件噪声，N1 和 N2 分别是通道 1 和通道 2 的内部噪声，M是互相关级数。
双通道互相关技术无需非常好的硬件性能，便可实现出色的测量灵敏度。但是，互相关级数增加会影响到测量速度。