使用信号/频谱分析仪进行相位噪声测量的方法及注意事项

　　相位噪声从频域描述了信号频率的稳定度，是描述信号质量的重要指标。对于多普勒雷达系统、无线电通信、空间信号传输等应用有着重要的影响。对信号进行相位噪声指标测量是现在工作中经常遇到的事情，本文首先从信号相位噪声的定义入手，重点介绍使用信号分析仪进行相位噪声测量的方法及注意事项。
　　1、相位噪声是什么？
　　　在频域内，一个理想正弦波信号的表现是一个单谱线；实际信号除了主信号之外还包括一些离散的谱线，它们是随机的幅度和相位的抖动，在正常信号的左右两边以边带调制的形式出现。在频域内信号的所有不稳定度总和表现为载波两侧的噪声边带，边带噪声是一个间接的测量与射频信号功率频谱相关噪声功率的指标。边带噪声可以表述为调频边带噪声和调幅边带噪声。大多数的被相位噪声测试系统测量信号的调幅边带功率相对调频边带功率来说都很小，所以对大多数信号来说测量的边带噪声就是调频边带噪声（即相位噪声也称单边带相位噪声）。它的定义为1Hz带宽内相位调制边带的功率和信号总功率的比值，单位为dBc/Hz。在信号/频谱分析仪上，边带噪声是相位噪声和幅度噪声的总和，通常当已知调幅噪声远小于相位噪声时(小于 10dB以上)，在频谱仪上读出的边带噪声即为相位噪声。
　　在290K环境温度下，噪声功率基底是-174dBm/Hz。由于相位噪声和调幅噪声对热噪声的贡献是等同的，所以相位噪声对热噪声的贡献是-177dBm/Hz，比热噪声低3dB。如果载波功率较小，例如-20dBm，相位噪声就被限制到-157dBc/Hz（-177dBm/Hz-（-20dBm））。下表是载波功率和相位噪声极限值的对应表。
　　2、相位噪声的测量

　　在频域中，常用的相位噪声测量方法主要有直接频谱分析仪法、相位检波器法、鉴频器法和双通道互相关法等。应该指出，在不同场合对相位噪声的要求不同，测量方法也有所不同。典型的相位噪声测量可以由相位噪声测试系统完成，但这些设备的价格相当昂贵，而频谱分析仪或者新一代的信号分析仪是相对常用的仪器，对一些相位噪声指标要求不是很严格的场合，可以用信号/频谱分析仪进行相位噪声指标的测量。
　　通过谱分析进行相位噪声测量的方法称为直接频谱分析仪法。该方法不仅能在分析仪上直接显示相位噪声的测量值，而且还可以同时准确地显示是否有其他离散信号，具有简单、灵活易用的特点。被测信号可以直接加到分析仪的射频输入口后，由分析仪直接进行分析测量；也可以现将被测信号与相位噪声指标更好的参考信号混频后，得到一合适中频信号，再由分析仪对这一中频信号进行分析。
　　随着仪器仪表技术和功能的发展，现在信号/频谱分析仪大多具有相位噪声测量选件。该选件测量界面和操作方法同的相位噪声测量仪器类似，将信号接入分析仪后，设置合适的载波频率或者进行载波自动搜索，然后设置测量的频偏范围，等待测量结束，一条完整的边带噪声曲线就呈现在界面上，如果对某些点的值感兴趣，打开标记功能，设置到相应的频偏，标记就显示出该点的测量结果。
　

　　如果分析仪没有相位噪声测量选件，在频谱分析功能下，进行一些相应的设置也可以对信号进行相位噪声指标测试，测试结果和相位噪声测量选件的测试结果是一样的。下述的测试步骤是一种通用的具有频谱分析功能的分析仪测量相位噪声的测试步骤。
　　（1） 将被测信号与分析仪连接好后，在分析仪上设置与被测信号频率相同的中心频率和适当的分析带宽（即频宽）；此步骤可以用分析仪“标记到中心频率”的标记功能，减小频宽，然后再使用“标记到中心频率”，直到载波信号在屏幕中央，频宽适当（频宽应等于或者略大于被测频偏的两倍）。
　　（2）在分析仪上设置合适的参考电平，参考电平设置应略大于或者等于被测载波信号的实际输出电平值。此步骤可以用分析仪“标记到参考电平”的标记功能。此过程中，如果被测载波信号功率较小，应该在保证信号不压缩的情况下，尽量采用小的衰减器档位。
　　（3）设置适当的分辨率带宽和视频带宽：如果分析仪的这两个参数处于自动关联设置状态可以免于操作，如果不是则需要手动设置，这两个参数不宜设置太大，太大了影响指标测量的准确度，但是太小了会影响测量速度。可以先选择较大的中频带宽，然后逐步减小，直至相位噪声的测量值不再减小为止。
　　（4）打开“轨迹平均”功能；打开“标记”、搜索“峰值”，然后打开“差值标记”，设差值标记值为拟测量频偏值，再从“标记功能”内打开噪声标记功能。当前标记显示的值即为载波信号在该频偏处的相位噪声值，单位为dBc/Hz。
　　3、测量的注意事项
　　（1）选用高性能信号分析仪或者频谱分析仪
　　首先应尽量选用本底噪声低的分析仪，因为所测量的相位噪声下限取决于分析仪的本底噪声。分析仪作为一种超外差的分析设备，终的测量结果是外部输入信号同本机内部本振信号叠加的结果，如果外部输入信号的相位噪声指标高于分析仪本身的指标，测量的结果实际是分析仪的相位噪声。只有外部信号的相位噪声指标要比分析仪指标差时（差3dB以上），测量的结果才是正确的。直接频谱法不适合于更低噪底的高性能晶振或者直接式频综的测试。
　　（2）测量结果为组合噪声
　　不论是使用分析仪的相位噪声选件还是频谱分析功能下手动测量，分析仪均不能把调幅噪声和调频噪声区分开来，所以测量结果是调幅和调频噪声的总和。为了测量相位噪声，一般要求被测信号的调幅噪声要比调频噪声小得多（小10dB以上），测量结果基本为相位噪声。
　　（3）注意分析仪的动态范围对测量的影响
　　动态范围代表了分析仪的测量范围，其下限取决于分析仪自身灵敏度和相位噪声，其上限取决于1dB压缩点。在偏离载波较近处能达到的动态范围的下限主要取决于分析仪自身的相位噪声，在偏离载波较远处分析仪自身的相位噪声很低，动态范围的下限主要取决于分析仪的灵敏度。由于分析仪无载波抑制功能，测量的动态范围受限，尤其是测量偏离载波较远处的相噪时，需要判断测量是否受限于分析仪的动态范围，以免测量结果产生错误。
　　(4)减少外界环境对测量结果的影响
　　信号的频谱漂移会给相噪量结果带来很大的误差，甚至无法测量。被测设备和测量仪器在测量进行前都需要充分预热使其达到稳定的工作状态，分析仪的预热时间通常要求大于10分钟。仪器连接要牢固，尽量避免振动，测量时把仪器放置在能吸收振动的防振垫上，减少或者消除振颤噪声。为了减少外界环境对测量结果的影响，有条件的地方在屏蔽室内测量。
　　（5）注意对测量结果的修正
　　大多数采用模拟中频的老式频谱分析仪都采用对数中频放大器和峰值检波器。对数中频放大器对噪声信号峰值的放大作用小于其他的噪声信号，使得测量值偏低；用取样检波或者峰值检波器测量噪声时，则会引入测量误差。对数中频放大器和检波器引入的误差通常为2.5dB，即在原有的测量结果上需加上2.5dB。当分析仪处于快速傅里叶变换（FFT）工作模式时，其测量结果是离散的时域峰值响应的频域变换值，不受峰值检波器、视频滤波器、噪声带宽等因素的影响，测量结果无需修正。在的信号/频谱分析仪中，只要打开“噪声标记”功能，检波方式和误差修正系数会自动耦合，标记的读数即是经修正后的归一化的相位噪声测量结果。