相位噪声基础及测试原理和方法

摘要：相位噪声指标对于当前的射频微波系统、移动通信系统、雷达系统等电子系统影响非常明显，将直接影响系统指标的优劣。该项指标对于系统的研发、设计均具有指导意义。相位噪声指标的测试手段很多，如何能够精准的测量该指标是射频微波领域的一项重要任务。随着当前接收机相位噪声指标越来越高，相应的测试技术和测试手段也有了很大的进步。同时，与相位噪声测试相关的其他测试需求也越来越多，如何准确的进行这些指标的测试也愈发重要。

1、引言

随着电子技术的发展，器件的噪声系数越来越低，放大器的动态范围也越来越大，增益也大有提高，使得电路系统的灵敏度和选择性以及线性度等主要技术指标都得到较好的解决。同时，随着技术的不断提高，对电路系统又提出了更高的要求，这就要求电路系统必须具有较低的相位噪声，在现代技术中，相位噪声已成为限制电路系统的主要因素。低相位噪声对于提高电路系统性能起到重要作用。

相位噪声好坏对通讯系统有很大影响，尤其现代通讯系统中状态很多，频道又很密集，并且不断的变换，所以对相位噪声的要求也愈来愈高。如果本振信号的相位噪声较差，会增加通信中的误码率，影响载频跟踪精度。相位噪声不好，不仅增加误码率、影响载频跟踪精度，还影响通信接收机信道内、外性能测量，相位噪声对邻近频道选择性有影响。如果要求接收机选择性越高，则相位噪声就必须更好，要求接收机灵敏度越高，相位噪声也必须更好。

总之，对于现代通信的各种接收机，相位噪声指标尤为重要，对于该指标的精准测试要求也越来越高，相应的技术手段要求也越来越高。

2、相位噪声基础

2.1、什么是相位噪声

相位噪声是振荡器在短时间内频率稳定度的度量参数。它来源于振荡器输出信号由噪声引起的相位、频率的变化。频率稳定度分为两个方面：长期稳定度和短期稳定度，其中，短期稳定度在时域内用艾伦方差来表示，在频域内用相位噪声来表示。

2.2、相位噪声的定义

IEEE standard 1139-1988：以载波的幅度为参考，在偏移一定的频率下的单边带相对噪声功率。这个数值是指在1Hz的带宽下的相对噪声电平，其单位为dBc/Hz。该定义最早是基于频谱仪法测试相位噪声，不区分调幅噪声和调相噪声。

IEEE standard 1139-1999：单边带相位噪声L(f)定义为随机相位波动单边带功率谱密度S_φ(f)的一半，其单位为dBc/Hz。其中S_φ(f)为随机相位波动φ(t)的单边带功率谱密度，其物理量纲是rad²/Hz。  该定义基于鉴相器法测量相位噪声，使载波降频变换为接近直流，高噪声下，会引起L(f)和S_φ(f)之间显著的差异。

3、CW信号相位噪声的测试原理及方法

3.1、频谱仪测试法

3.1.1、直接频谱分析（Marker Function）

该方法按照相位噪声的基本定义，首先测量中心载波的信号功率，然后测量某一频偏处噪声功率，最后做计算即可得到相位噪声值。

3.1.2、频谱仪自动测试（Phase Noise）

该方法还是基于频谱仪测试载波功率和噪声功率，但是可以自动进行测试，并显示出完整的测试曲线，频偏范围可以自由设定，操作简便快捷，精准度比频谱仪直接测试法要高，测试速度要快。

总之，频谱仪法测试相位噪声均基于频谱测试的结果进行相位噪声的计算，该测试法无法区分调幅噪声和相位噪声，灵敏度受仪器固有的相位噪声限制，无载波抑制，测量范围受分辨率滤波器形状因子限制，动态范围有限等缺点；但是，该方法测试设置简单、快捷，频率偏移范围大，可测试很多信号源的特性，比如：杂散发射、邻信道功率泄漏、高次谐波；并且可以直接显示相位噪声曲线（当调幅噪声忽略不计时）。

3.2、鉴相器测试法

3.2.1、鉴相器测试原理

鉴相器法是采用被测信号源与一同频参考信号源进行鉴相，鉴相器输出信号经低通滤波器和低噪声放大器后输入到频谱仪或接收机中。

鉴相器输入信号两路正交信号：

鉴相器的输出信号U_IF(t)：

经低通滤波，并假定ƒ_L= ƒ_R ，得到：

对于小的相差， 简化得到：

3.2.2、延迟线测试法

延迟线法是把被测信号分成两路，一路信号经过延迟线后与另一路经过一个移相器移相后的信号进行鉴相，然后再滤波放大分析。延迟线的作用是将频率的变化转化为相位的变化，当频率变化时，将在延迟线中引起相位正比例的变化。双平衡混频器将相位变化转化为电压变化。

该测试方法具有载波抑制、调幅噪声测试功能，测试时不需要额外的参考源，不需要信号同步，频率漂移不再是问题。但是该测试方法高频时损耗较大，使得测试灵敏度较低，而且测试时需要校准，操作较为复杂。

3.2.3、锁相环测试法

由于振荡