使用信號/頻譜分析儀進(jìn)行相位噪聲測量的方法及注意事項(xiàng)

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       相位噪聲從頻域描述了信號頻率的穩(wěn)定度，是描述信號質(zhì)量的重要指標(biāo)。對于多普勒雷達(dá)系統(tǒng)、無線電通信、空間信號傳輸?shù)葢?yīng)用有著重要的影響。對信號進(jìn)行相位噪聲指標(biāo)測量是現(xiàn)在工作中經(jīng)常遇到的事情，本文首先從信號相位噪聲的定義入手，重點(diǎn)介紹使用信號分析儀進(jìn)行相位噪聲測量的方法及注意事項(xiàng)。


1、相位噪聲是什么？
在頻域內(nèi)，一個理想正弦波信號的表現(xiàn)是一個單譜線；實(shí)際信號除了主信號之外還包括一些離散的譜線，它們是隨機(jī)的幅度和相位的抖動，在正常信號的左右兩邊以邊帶調(diào)制的形式出現(xiàn)。在頻域內(nèi)信號的所有不穩(wěn)定度總和表現(xiàn)為載波兩側(cè)的噪聲邊帶，邊帶噪聲是一個間接的測量與射頻信號功率頻譜相關(guān)噪聲功率的指標(biāo)。邊帶噪聲可以表述為調(diào)頻邊帶噪聲和調(diào)幅邊帶噪聲。大多數(shù)的被相位噪聲測試系統(tǒng)測量信號的調(diào)幅邊帶功率相對調(diào)頻邊帶功率來說都很小，所以對大多數(shù)信號來說測量的邊帶噪聲就是調(diào)頻邊帶噪聲（即相位噪聲也稱單邊帶相位噪聲）。它的定義為1Hz帶寬內(nèi)相位調(diào)制邊帶的功率和信號總功率的比值，單位為dBc/Hz。在信號/頻譜分析儀上，邊帶噪聲是相位噪聲和幅度噪聲的總和，通常當(dāng)已知調(diào)幅噪聲遠(yuǎn)小于相位噪聲時(小于 10dB以上)，在頻譜儀上讀出的邊帶噪聲即為相位噪聲。

在290K環(huán)境溫度下，噪聲功率基底是-174dBm/Hz。由于相位噪聲和調(diào)幅噪聲對熱噪聲的貢獻(xiàn)是等同的，所以相位噪聲對熱噪聲的貢獻(xiàn)是-177dBm/Hz，比熱噪聲低3dB。如果載波功率較小，例如-20dBm，相位噪聲就被限制到-157dBc/Hz（-177dBm/Hz-（-20dBm））。下表是載波功率和相位噪聲極限值的對應(yīng)表。



2、相位噪聲的測量
在頻域中，常用的相位噪聲測量方法主要有直接頻譜分析儀法、相位檢波器法、鑒頻器法和雙通道互相關(guān)法等。應(yīng)該指出，在不同場合對相位噪聲的要求不同，測量方法也有所不同。典型的相位噪聲測量可以由專業(yè)相位噪聲測試系統(tǒng)完成，但這些專業(yè)設(shè)備的價(jià)格相當(dāng)昂貴，而頻譜分析儀或者新一代的信號分析儀是相對常用的儀器，對一些相位噪聲指標(biāo)要求不是很嚴(yán)格的場合，可以用信號/頻譜分析儀進(jìn)行相位噪聲指標(biāo)的測量。

通過譜分析進(jìn)行相位噪聲測量的方法稱為直接頻譜分析儀法。該方法不僅能在分析儀上直接顯示相位噪聲的測量值，而且還可以同時準(zhǔn)確地顯示是否有其他離散信號，具有簡單、靈活易用的特點(diǎn)。被測信號可以直接加到分析儀的射頻輸入口后，由分析儀直接進(jìn)行分析測量；也可以現(xiàn)將被測信號與相位噪聲指標(biāo)更好的參考信號混頻后，得到一合適中頻信號，再由分析儀對這一中頻信號進(jìn)行分析。

隨著儀器儀表技術(shù)和功能的發(fā)展，現(xiàn)在高檔信號/頻譜分析儀大多具有相位噪聲測量選件。該選件測量界面和操作方法同專業(yè)的相位噪聲測量儀器類似，將信號接入分析儀后，設(shè)置合適的載波頻率或者進(jìn)行載波自動搜索，然后設(shè)置測量的頻偏范圍，等待測量結(jié)束，一條完整的邊帶噪聲曲線就呈現(xiàn)在界面上，如果對某些點(diǎn)的值感興趣，打開標(biāo)記功能，設(shè)置到相應(yīng)的頻偏，標(biāo)記就顯示出該點(diǎn)的測量結(jié)果。


信號/頻譜分析儀 相位噪聲選件測量界面

如果分析儀沒有相位噪聲測量選件，在頻譜分析功能下，進(jìn)行一些相應(yīng)的設(shè)置也可以對信號進(jìn)行相位噪聲指標(biāo)測試，測試結(jié)果和相位噪聲測量選件的測試結(jié)果是一樣的。下述的測試步驟是一種通用的具有頻譜分析功能的分析儀測量相位噪聲的測試步驟。

（1）將被測信號與分析儀連接好后，在分析儀上設(shè)置與被測信號頻率相同的中心頻率和適當(dāng)?shù)姆治鰩�寬（即頻寬）；此步驟可以用分析儀“標(biāo)記到中心頻率”的標(biāo)記功能，減小頻寬，然后再使用“標(biāo)記到中心頻率”，直到載波信號在屏幕中央，頻寬適當(dāng)（頻寬應(yīng)等于或者略大于被測頻偏的兩倍）。

（2）在分析儀上設(shè)置合適的參考電平，參考電平設(shè)置應(yīng)略大于或者等于被測載波信號的實(shí)際輸出電平值。此步驟可以用分析儀“標(biāo)記到參考電平”的標(biāo)記功能。此過程中，如果被測載波信號功率較小，應(yīng)該在保證信號不壓縮的情況下，盡量采用小的衰減器檔位。

（3）設(shè)置適當(dāng)?shù)姆直媛蕩�寬和視頻帶寬：如果分析儀的這兩個參數(shù)處于自動關(guān)聯(lián)設(shè)置狀態(tài)可以免于操作，如果不是則需要手動設(shè)置，這兩個參數(shù)不宜設(shè)置太大，太大了影響指標(biāo)測量的準(zhǔn)確度，但是太小了會影響測量速度。可以先選擇較大的中頻帶寬，然后逐步減小，直至相位噪聲的測量值不再減小為止。

（4）打開“軌跡平均”功能； 打開“標(biāo)記”、搜索“峰值”，然后打開“差值標(biāo)記”，設(shè)差值標(biāo)記值為擬測量頻偏值，再從“標(biāo)記功能”內(nèi)打開噪聲標(biāo)記功能。當(dāng)前標(biāo)記顯示的值即為載波信號在該頻偏處的相位噪聲值，單位為dBc/Hz。


信號/頻譜分析儀 頻譜分析下相位噪聲測量界面


3、測量的注意事項(xiàng)
（1）選用高性能信號分析儀或者頻譜分析儀
首先應(yīng)盡量選用本底噪聲低的分析儀，因?yàn)樗鶞y量的相位噪聲下限取決于分析儀的本底噪聲。分析儀作為一種超外差的分析設(shè)備，最終的測量結(jié)果是外部輸入信號同本機(jī)內(nèi)部本振信號疊加的結(jié)果，如果外部輸入信號的相位噪聲指標(biāo)高于分析儀本身的指標(biāo)，測量的結(jié)果實(shí)際是分析儀的相位噪聲。只有外部信號的相位噪聲指標(biāo)要比分析儀指標(biāo)差時（差3dB以上），測量的結(jié)果才是正確的。直接頻譜法不適合于更低噪底的高性能晶振或者直接式頻綜的測試。

（2）測量結(jié)果為組合噪聲
不論是使用分析儀的相位噪聲選件還是頻譜分析功能下手動測量，分析儀均不能把調(diào)幅噪聲和調(diào)頻噪聲區(qū)分開來，所以測量結(jié)果是調(diào)幅和調(diào)頻噪聲的總和。為了精確測量相位噪聲，一般要求被測信號的調(diào)幅噪聲要比調(diào)頻噪聲小得多（小10dB以上），測量結(jié)果基本為相位噪聲。

（3）注意分析儀的動態(tài)范圍對測量的影響
動態(tài)范圍代表了分析儀的測量范圍，其下限取決于分析儀自身靈敏度和相位噪聲，其上限取決于1dB壓縮點(diǎn)。在偏離載波較近處能達(dá)到的動態(tài)范圍的下限主要取決于分析儀自身的相位噪聲，在偏離載波較遠(yuǎn)處分析儀自身的相位噪聲很低，動態(tài)范圍的下限主要取決于分析儀的靈敏度。由于分析儀無載波抑制功能，測量的動態(tài)范圍受限，尤其是測量偏離載波較遠(yuǎn)處的相噪時，需要判斷測量是否受限于分析儀的動態(tài)范圍，以免測量結(jié)果產(chǎn)生錯誤。

(4)減少外界環(huán)境對測量結(jié)果的影響
信號的頻譜漂移會給相噪量結(jié)果帶來很大的誤差，甚至無法測量。被測設(shè)備和測量儀器在測量進(jìn)行前都需要充分預(yù)熱使其達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，分析儀的預(yù)熱時間通常要求大于10分鐘。儀器連接要牢固，盡量避免振動，測量時最好把儀器放置在能吸收振動的防振墊上，減少或者消除振顫噪聲。為了減少外界環(huán)境對測量結(jié)果的影響，有條件的地方最好在屏蔽室內(nèi)測量。

（5）注意對測量結(jié)果的修正
大多數(shù)采用模擬中頻的老式頻譜分析儀都采用對數(shù)中頻放大器和峰值檢波器。對數(shù)中頻放大器對噪聲信號峰值的放大作用小于其他的噪聲信號，使得測量值偏低；用取樣檢波或者峰值檢波器測量噪聲時，則會引入測量誤差。對數(shù)中頻放大器和檢波器引入的誤差通常為2.5dB，即在原有的測量結(jié)果上需加上2.5dB。當(dāng)分析儀處于快速傅里葉變換（FFT）工作模式時，其測量結(jié)果是離散的時域峰值響應(yīng)的頻域變換值，不受峰值檢波器、視頻濾波器、噪聲帶寬等因素的影響，測量結(jié)果無需修正。在高檔的信號/頻譜分析儀中，只要打開“噪聲標(biāo)記”功能，檢波方式和誤差修正系數(shù)會自動耦合，標(biāo)記的讀數(shù)即是經(jīng)修正后的歸一化的相位噪聲測量結(jié)果。


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