使用信號(hào)/頻譜分析儀進(jìn)行相位噪聲測(cè)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(hào)頻率的穩(wěn)定度，是描述信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)。對(duì)于多普勒雷達(dá)系統(tǒng)、無線電通信、空間信號(hào)傳輸?shù)葢?yīng)用有著重要的影響。對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位噪聲指標(biāo)測(cè)量是現(xiàn)在工作中經(jīng)常遇到的事情，本文首先從信號(hào)相位噪聲的定義入手，重點(diǎn)介紹使用信號(hào)分析儀進(jìn)行相位噪聲測(cè)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(gè)理想正弦波信號(hào)的表現(xiàn)是一個(gè)單譜線；實(shí)際信號(hào)除了主信號(hào)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(dòng)，在正常信號(hào)的左右兩邊以邊帶調(diào)制的形式出現(xiàn)。在頻域內(nèi)信號(hào)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(gè)間接的測(cè)量與射頻信號(hào)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(cè)試系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)的調(diào)幅邊帶功率相對(duì)調(diào)頻邊帶功率來說都很小，所以對(duì)大多數(shù)信號(hào)來說測(cè)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(hào)總功率的比值，單位為dBc/Hz。在信號(hào)/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(shí)(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(duì)熱噪聲的貢獻(xiàn)是等同的，所以相位噪聲對(duì)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(duì)應(yīng)表。



2、相位噪聲的測(cè)量
在頻域中，常用的相位噪聲測(cè)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(chǎng)合對(duì)相位噪聲的要求不同，測(cè)量方法也有所不同。典型的相位噪聲測(cè)量可以由專業(yè)相位噪聲測(cè)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(hào)分析儀是相對(duì)常用的儀器，對(duì)一些相位噪聲指標(biāo)要求不是很嚴(yán)格的場(chǎng)合，可以用信號(hào)/頻譜分析儀進(jìn)行相位噪聲指標(biāo)的測(cè)量。

通過譜分析進(jìn)行相位噪聲測(cè)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(cè)量值，而且還可以同時(shí)準(zhǔn)確地顯示是否有其他離散信號(hào)，具有簡(jiǎn)單、靈活易用的特點(diǎn)。被測(cè)信號(hào)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(cè)量；也可以現(xiàn)將被測(cè)信號(hào)與相位噪聲指標(biāo)更好的參考信號(hào)混頻后，得到一合適中頻信號(hào)，再由分析儀對(duì)這一中頻信號(hào)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(hào)/頻譜分析儀大多具有相位噪聲測(cè)量選件。該選件測(cè)量界面和操作方法同專業(yè)的相位噪聲測(cè)量?jī)x器類似，將信號(hào)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(dòng)搜索，然后設(shè)置測(cè)量的頻偏范圍，等待測(cè)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(duì)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(cè)量結(jié)果。


信號(hào)/頻譜分析儀 相位噪聲選件測(cè)量界面

如果分析儀沒有相位噪聲測(cè)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(duì)信號(hào)進(jìn)行相位噪聲指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果和相位噪聲測(cè)量選件的測(cè)試結(jié)果是一樣的。下述的測(cè)試步驟是一種通用的具有頻譜分析功能的分析儀測(cè)量相位噪聲的測(cè)試步驟。

（1）將被測(cè)信號(hào)與分析儀連接好后，在分析儀上設(shè)置與被測(cè)信號(hào)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(hào)在屏幕中央，頻寬適當(dāng)（頻寬應(yīng)等于或者略大于被測(cè)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(cè)載波信號(hào)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(cè)載波信號(hào)功率較小，應(yīng)該在保證信號(hào)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(gè)參數(shù)處于自動(dòng)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(dòng)設(shè)置，這兩個(gè)參數(shù)不宜設(shè)置太大，太大了影響指標(biāo)測(cè)量的準(zhǔn)確度，但是太小了會(huì)影響測(cè)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(cè)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(cè)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(hào)在該頻偏處的相位噪聲值，單位為dBc/Hz。


信號(hào)/頻譜分析儀 頻譜分析下相位噪聲測(cè)量界面


3、測(cè)量的注意事項(xiàng)
（1）選用高性能信號(hào)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(cè)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(cè)量結(jié)果是外部輸入信號(hào)同本機(jī)內(nèi)部本振信號(hào)疊加的結(jié)果，如果外部輸入信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)高于分析儀本身的指標(biāo)，測(cè)量的結(jié)果實(shí)際是分析儀的相位噪聲。只有外部信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)要比分析儀指標(biāo)差時(shí)（差3dB以上），測(cè)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(cè)試。

（2）測(cè)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(dòng)測(cè)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(cè)量結(jié)果是調(diào)幅和調(diào)頻噪聲的總和。為了精確測(cè)量相位噪聲，一般要求被測(cè)信號(hào)的調(diào)幅噪聲要比調(diào)頻噪聲小得多（小10dB以上），測(cè)量結(jié)果基本為相位噪聲。

（3）注意分析儀的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)測(cè)量的影響
動(dòng)態(tài)范圍代表了分析儀的測(cè)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(dòng)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(dòng)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(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍受限，尤其是測(cè)量偏離載波較遠(yuǎn)處的相噪時(shí)，需要判斷測(cè)量是否受限于分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，以免測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生錯(cuò)誤。

(4)減少外界環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響
信號(hào)的頻譜漂移會(huì)給相噪量結(jié)果帶來很大的誤差，甚至無法測(cè)量。被測(cè)設(shè)備和測(cè)量?jī)x器在測(cè)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(shí)間通常要求大于10分鐘。儀器連接要牢固，盡量避免振動(dòng)，測(cè)量時(shí)最好把儀器放置在能吸收振動(dòng)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，有條件的地方最好在屏蔽室內(nèi)測(cè)量。

（5）注意對(duì)測(cè)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(duì)數(shù)中頻放大器和峰值檢波器。對(duì)數(shù)中頻放大器對(duì)噪聲信號(hào)峰值的放大作用小于其他的噪聲信號(hào)，使得測(cè)量值偏低；用取樣檢波或者峰值檢波器測(cè)量噪聲時(shí)，則會(huì)引入測(cè)量誤差。對(duì)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(cè)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(shí)，其測(cè)量結(jié)果是離散的時(shí)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(cè)量結(jié)果無需修正。在高檔的信號(hào)/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(huì)自動(dòng)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(cè)量結(jié)果。


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