相位噪聲基礎(chǔ)及測(cè)試原理和方法

摘要：相位噪聲指標(biāo)對(duì)于當(dāng)前的射頻微波系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等電子系統(tǒng)影響非常明顯，將直接影響系統(tǒng)指標(biāo)的優(yōu)劣。該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)計(jì)均具有指導(dǎo)意義。相位噪聲指標(biāo)的測(cè)試手段很多，如何能夠精準(zhǔn)的測(cè)量該指標(biāo)是射頻微波領(lǐng)域的一項(xiàng)重要任務(wù)。隨著當(dāng)前接收機(jī)相位噪聲指標(biāo)越來(lái)越高，相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)和測(cè)試手段也有了很大的進(jìn)步。同時(shí)，與相位噪聲測(cè)試相關(guān)的其他測(cè)試需求也越來(lái)越多，如何準(zhǔn)確的進(jìn)行這些指標(biāo)的測(cè)試也愈發(fā)重要。

1、引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，器件的噪聲系數(shù)越來(lái)越低，放大器的動(dòng)態(tài)范圍也越來(lái)越大，增益也大有提高，使得電路系統(tǒng)的靈敏度和選擇性以及線性度等主要技術(shù)指標(biāo)都得到較好的解決。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷提高，對(duì)電路系統(tǒng)又提出了更高的要求，這就要求電路系統(tǒng)必須具有較低的相位噪聲，在現(xiàn)代技術(shù)中，相位噪聲已成為限制電路系統(tǒng)的主要因素。低相位噪聲對(duì)于提高電路系統(tǒng)性能起到重要作用。

相位噪聲好壞對(duì)通訊系統(tǒng)有很大影響，尤其現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中狀態(tài)很多，頻道又很密集，并且不斷的變換，所以對(duì)相位噪聲的要求也愈來(lái)愈高。如果本振信號(hào)的相位噪聲較差，會(huì)增加通信中的誤碼率，影響載頻跟蹤精度。相位噪聲不好，不僅增加誤碼率、影響載頻跟蹤精度，還影響通信接收機(jī)信道內(nèi)、外性能測(cè)量，相位噪聲對(duì)鄰近頻道選擇性有影響。如果要求接收機(jī)選擇性越高，則相位噪聲就必須更好，要求接收機(jī)靈敏度越高，相位噪聲也必須更好。

總之，對(duì)于現(xiàn)代通信的各種接收機(jī)，相位噪聲指標(biāo)尤為重要，對(duì)于該指標(biāo)的精準(zhǔn)測(cè)試要求也越來(lái)越高，相應(yīng)的技術(shù)手段要求也越來(lái)越高。

2、相位噪聲基礎(chǔ)

2.1、什么是相位噪聲

相位噪聲是振蕩器在短時(shí)間內(nèi)頻率穩(wěn)定度的度量參數(shù)。它來(lái)源于振蕩器輸出信號(hào)由噪聲引起的相位、頻率的變化。頻率穩(wěn)定度分為兩個(gè)方面：長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度，其中，短期穩(wěn)定度在時(shí)域內(nèi)用艾倫方差來(lái)表示，在頻域內(nèi)用相位噪聲來(lái)表示。

2.2、相位噪聲的定義

IEEE standard 1139-1988：以載波的幅度為參考，在偏移一定的頻率下的單邊帶相對(duì)噪聲功率。這個(gè)數(shù)值是指在1Hz的帶寬下的相對(duì)噪聲電平，其單位為dBc/Hz。該定義最早是基于頻譜儀法測(cè)試相位噪聲，不區(qū)分調(diào)幅噪聲和調(diào)相噪聲。

IEEE standard 1139-1999：?jiǎn)芜厧辔辉肼昄(f)定義為隨機(jī)相位波動(dòng)單邊帶功率譜密度Sφ(f)的一半，其單位為dBc/Hz。其中Sφ(f)為隨機(jī)相位波動(dòng)φ(t)的單邊帶功率譜密度，其物理量綱是rad2/Hz。 該定義基于鑒相器法測(cè)量相位噪聲，使載波降頻變換為接近直流，高噪聲下，會(huì)引起L(f)和Sφ(f)之間顯著的差異。

3、CW信號(hào)相位噪聲的測(cè)試原理及方法

3.1、頻譜儀測(cè)試法

3.1.1、直接頻譜分析（Marker Function）

該方法按照相位噪聲的基本定義，首先測(cè)量中心載波的信號(hào)功率，然后測(cè)量某一頻偏處噪聲功率，最后做計(jì)算即可得到相位噪聲值。

3.1.2、頻譜儀自動(dòng)測(cè)試（Phase Noise）

該方法還是基于頻譜儀測(cè)試載波功率和噪聲功率，但是可以自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，并顯示出完整的測(cè)試曲線，頻偏范圍可以自由設(shè)定，操作簡(jiǎn)便快捷，精準(zhǔn)度比頻譜儀直接測(cè)試法要高，測(cè)試速度要快。

總之，頻譜儀法測(cè)試相位噪聲均基于頻譜測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行相位噪聲的計(jì)算，該測(cè)試法無(wú)法區(qū)分調(diào)幅噪聲和相位噪聲，靈敏度受儀器固有的相位噪聲限制，無(wú)載波抑制，測(cè)量范圍受分辨率濾波器形狀因子限制，動(dòng)態(tài)范圍有限等缺點(diǎn)；但是，該方法測(cè)試設(shè)置簡(jiǎn)單、快捷，頻率偏移范圍大，可測(cè)試很多信號(hào)源的特性，比如：雜散發(fā)射、鄰信道功率泄漏、高次諧波；并且可以直接顯示相位噪聲曲線（當(dāng)調(diào)幅噪聲忽略不計(jì)時(shí)）。

3.2、鑒相器測(cè)試法

3.2.1、鑒相器測(cè)試原理

鑒相器法是采用被測(cè)信號(hào)源與一同頻參考信號(hào)源進(jìn)行鑒相，鑒相器輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波器和低噪聲放大器后輸入到頻譜儀或接收機(jī)中。

鑒相器輸入信號(hào)兩路正交信號(hào)：

鑒相器的輸出信號(hào)UIF(t)：

經(jīng)低通濾波，并假定?L= ?R，得到：

對(duì)于小的相差， 簡(jiǎn)化得到：

3.2.2、延遲線測(cè)試法

延遲線法是把被測(cè)信號(hào)分成兩路，一路信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲線后與另一路經(jīng)過(guò)一個(gè)移相器移相后的信號(hào)進(jìn)行鑒相，然后再濾波放大分析。延遲線的作用是將頻率的變化轉(zhuǎn)化為相位的變化，當(dāng)頻率變化時(shí)，將在延遲線中引起相位正比例的變化。雙平衡混頻器將相位變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。

該測(cè)試方法具有載波抑制、調(diào)幅噪聲測(cè)試功能，測(cè)試時(shí)不需要額外的參考源，不需要信號(hào)同步，頻率漂移不再是問(wèn)題。但是該測(cè)試方法高頻時(shí)損耗較大，使得測(cè)試靈敏度較低，而且測(cè)試時(shí)需要校準(zhǔn)，操作較為復(fù)雜。

3.2.3、鎖相環(huán)測(cè)試法

由于振蕩器的相位跳動(dòng)，90度的相位偏移并不能時(shí)刻穩(wěn)定。因此需要引人鎖相環(huán)路對(duì)相位進(jìn)行鎖定，以保證兩路信號(hào)相位穩(wěn)定的相差90度。

由于鎖相環(huán)路的引入會(huì)對(duì)相位噪聲測(cè)量帶來(lái)影響，在環(huán)路帶寬內(nèi)，振蕩器的相位噪聲將會(huì)被改善，因此在測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲進(jìn)行修正。通過(guò)鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬特性，可以計(jì)算出環(huán)路增益，從而可以對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

鑒相器法測(cè)試相位噪聲具有很多優(yōu)點(diǎn)。

其中一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是鑒相后信號(hào)的載波被抑制，接收機(jī)的中頻增益與載波電平無(wú)關(guān)，因此可以大大提高相位噪聲的測(cè)試靈敏度。另外，可以采用低噪聲放大器對(duì)鑒相后的信號(hào)進(jìn)行放大，從而可以降低測(cè)量接收機(jī)的噪聲系數(shù)，從而進(jìn)一步提高其測(cè)試靈敏度。

同時(shí)，對(duì)于信號(hào)中同時(shí)存在的AM噪聲和相位噪聲。可以通過(guò)調(diào)整兩路信號(hào)的相位差，使鑒相器可以分辨AM噪聲和相位噪聲。如果兩路鑒相信號(hào)相位相差90°，則鑒相后輸出對(duì)AM噪聲的抑制可以高達(dá)40dB，當(dāng)兩路鑒相信號(hào)相位相差 0° 時(shí)，則輸出結(jié)果僅有AM噪聲。

該測(cè)試方法的另一優(yōu)點(diǎn)是，相位噪聲的測(cè)試不在受參考源的限制，因?yàn)榭梢赃x擇非常好的相位噪聲的源作為測(cè)量的參考。

該測(cè)試方法還可以采用雙DUT法進(jìn)行相位噪聲的測(cè)量，當(dāng)存在兩個(gè)相同的高性能被測(cè)信號(hào)源時(shí)可以采用該方法，測(cè)量結(jié)果需要做3dB的修正。

但是，對(duì)于該測(cè)試方法也有相應(yīng)的局限性，該方法設(shè)置相對(duì)復(fù)雜，測(cè)量前有時(shí)需要做測(cè)試校準(zhǔn)和PLL參數(shù)計(jì)算；相對(duì)頻譜儀方法來(lái)說(shuō)，鑒相器法的測(cè)量頻偏范圍較窄。同時(shí)，由于信號(hào)源特性除了相位噪聲指標(biāo)外，還需要測(cè)量如諧波特性，雜散特性，鄰信道抑制比等指標(biāo)，而該方法則無(wú)法完成這些測(cè)量，還需要用頻譜儀功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3、數(shù)字相位解調(diào)測(cè)試法

針對(duì)以上測(cè)試方法的不足，目前最新的相位噪聲測(cè)試的方法為數(shù)字相位解調(diào)法。該測(cè)試方法可以直接進(jìn)行I/Q解調(diào)測(cè)量, 轉(zhuǎn)換為Sf(f), 再計(jì)算L(f)。數(shù)字相位解調(diào)法無(wú)鑒相器和鎖相環(huán)，所以不需要進(jìn)行環(huán)路帶寬修正，可以簡(jiǎn)化校準(zhǔn)過(guò)程。該測(cè)試方法可以測(cè)量CW相位噪聲，脈沖相位噪聲，附加相位噪聲，脈沖附加相位噪聲等多項(xiàng)指標(biāo)。同時(shí)該測(cè)試方法具有極低的參考源相位噪聲、高速互相關(guān)，可以明顯提高測(cè)試的靈敏度。并且可以在大信號(hào)存在時(shí)測(cè)量小電平信號(hào)的相位噪聲。

4、脈沖信號(hào)相位噪聲測(cè)試原理和方法

脈沖調(diào)制信號(hào)的頻譜包含了中心譜線和不同PRF處的譜線。根據(jù)相位噪聲的定義，測(cè)試脈沖調(diào)制信號(hào)的相位噪聲就需要針對(duì)不同脈沖調(diào)制參數(shù)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波。

4.1、鑒相器法

與使用鑒相器法測(cè)試CW信號(hào)的相位噪聲相比，測(cè)試脈沖信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)就需要PRF濾波。對(duì)PRF濾波也有明確的要求：PRF濾波器必須帶內(nèi)平坦度好、邊緣陡峭；不同的PRF頻率需要不同的PRF濾波器；PRF濾波器必須在PRF/2之內(nèi)有平坦的通帶，在PRF之外有很大衰減；同時(shí)PRF濾波器衰減了PRF饋通，總之該P(yáng)RF相當(dāng)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很困難，操作也比較復(fù)雜。

4.2、數(shù)字相位解調(diào)法

數(shù)字相位解調(diào)法得益于強(qiáng)大的數(shù)字處理能力，測(cè)試脈沖調(diào)制信號(hào)的相位噪聲實(shí)現(xiàn)起來(lái)就比較簡(jiǎn)單，該測(cè)試方法具有與CW信號(hào)相位噪聲測(cè)試相同的結(jié)構(gòu)框圖，沒(méi)有鑒相器，無(wú)需對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制。PRF濾波器和脈寬加時(shí)間門(mén)在DSP中實(shí)現(xiàn)，易于處理不同PRF，無(wú)需復(fù)雜的校準(zhǔn)，也可實(shí)現(xiàn)脈沖附加相噪的測(cè)量。

使用數(shù)字相位解調(diào)法測(cè)量脈沖信號(hào)的相位噪聲首先采用零掃寬自動(dòng)檢測(cè)脈寬和周期，檢測(cè)到脈沖信號(hào)之后可以自動(dòng)的根據(jù)脈寬設(shè)置時(shí)間門(mén)長(zhǎng)度，根據(jù)周期設(shè)置最大頻偏，然后進(jìn)行測(cè)試。最大可測(cè)量頻偏為PRF/2，并且測(cè)試時(shí)間與連續(xù)波時(shí)相同。測(cè)試效率較高，操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單、方便。

5、其他相關(guān)測(cè)試

5.1、附加（殘余）相位噪聲的測(cè)試原理和方法

所謂附加相位噪聲是指由器件或電路附加的相位噪聲。例如放大器，上、下變頻器等。

直接使用頻譜分析儀或者具有鑒相器法測(cè)試功能的信號(hào)源分析儀測(cè)試附加相位噪聲時(shí)，一般都需要使用外部信號(hào)源和移相器，信號(hào)源和移相器指標(biāo)的好壞會(huì)直接影響測(cè)試結(jié)果，并且實(shí)際操作非常復(fù)雜（需要精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)移相器的相位），由于附加相位噪聲指標(biāo)一般來(lái)說(shuō)都比較