1、相位噪聲及其測試技術相位噪聲及其測試技術Phase Noise and Its measurement techniques摘 要：本文簡要闡述了相位噪聲的概念及其表征，并對相位噪聲和相位噪聲測試方法進行了分析，并在此基礎上提出了一種新的相位噪聲測試方法基于帶通采樣的中頻頻譜分析法。 一、引言 - 現代電子系統和設備都離不開相位噪聲測試的要求，因為本振相位噪聲影響著調頻、調相系統的最終信噪比，惡化某些調幅檢波器的性能；限制頻移鍵控（FSK） 和相移鍵控（PSK）的最小誤碼率；影響頻分多址接收系統的最大噪聲功率等。在很多高級電子系統和設備中，核心技術中往往有一個低相位噪聲頻率源。可見對 相位噪聲

2、進行表征、測試以及如何減小相位噪聲是現代電子系統中一個回避不了的問題。本文較詳細的闡述了相位噪聲的概念及其表征，并在分析其通用的測試技術 的同時提出了一種新的測試方法基于帶通采樣的中頻頻譜分析法。二、相位噪聲的概念及其表征- -相位噪聲一般是指在系統內各種噪聲作用下引起的輸出信號相位的隨機起伏。通常相位噪聲又分為頻率短期穩定度和頻率長期穩定度。所謂頻率短期穩定度, 是指由隨機噪聲引起的相位起伏或頻率起伏。至于因為溫度、老化等引起的頻率慢漂移,則稱之為頻率長期穩定度。通常我們主要考慮的是頻率短期穩定度問題，可 以認為相位噪聲就是頻率短期穩定度。-一個理想的正弦波信號可用下式表示：-V(t)=A0

3、sin2f0t （1）-式中，V(t)為信號瞬時幅度，A0為標稱值幅度，f0為標稱值頻率。此時信號的頻譜為一線譜。但是由于任何一個信號源都存在著各種不同的噪聲，每種噪聲分量各不相同，使得實際的輸出成為：-V(t)=A0+(t)sin2f0t+j(t) （2）-在研究相位噪聲的測量時，由于考慮振蕩器的幅度噪聲調制功率遠小于相位噪聲調制功率，所以|(t)|A0，通常可以將(t)忽略不計，而主要是對j(t)項進行測量，故可以得到：-V(t)=A0sin2f0t+j(t) （3）-對j(t)的測量，可以用各種類型的譜密度來表示。顯然此時的相位起伏為j(t)=j(t)，頻率起伏為f(t)=dj(t)/d

4、t/2。常用的相對頻率起伏：-y(t)=dj(t)/dt/2f0 （4）-由于相位噪聲j(t)的存在，使頻率源的頻率不穩定。這種不穩定度常用時域阿侖方差2y(2,)及頻域相對單邊帶功率譜（簡稱功率譜）Lp(f)或相噪功率譜Sj(f)來表征。它們的定義為：-2y(z)=2(2,)=(1/v20)(1/2)(y1-y2)2 （5）-式中y1，y2為測量采樣時間的相鄰二次測量測得的頻率平均值。-Lp(f)=PSSB(f)/P0(dBc/Hz) （6）-其中PSSB(f)為一個相位噪聲調制邊帶在頻率為f處的功率譜密度，P0為載波功率。-由（3）及（4）式得相位起伏的自相關函數Rj()=j()，j(t+

5、)和相對頻率起伏的自相關函數Ry()=y(), y(t+)，由維納-欽辛定理可知自相關函數和功率譜密度間存在如下關系表示傅里葉變換對。通常j(t)1，近似有-Lp(f)=(1/2)Sj(f) （7）三、相位噪聲的測試技術-傳統的測試方法主要有直接頻譜儀法、基于低通采樣的鑒頻法和鑒相法,另外一種就是本文提到的基于帶通采樣的中頻頻譜分析法。-1.直接頻譜儀法- -將未調制的高頻或者微波載頻信號直接加到頻率范圍及性能適合的高頻或者微波頻譜儀上,顯示出該信號的頻譜,便可觀測出該被測信號的噪聲。目前常用的譜分 析儀一般分為兩類:一類是頻譜分析儀,它允許輸入信號具有很寬的頻率范圍,且具備中等程度的分析帶寬

6、。以HP 8568A為例,其工作頻率范圍為100Hz1.5GHz,最小分析帶寬為10Hz。另一類稱為波形分析儀,它一般工作在較低的頻段,但具有很高的頻率 分辨率。以HP 3582A為例,其工作頻率范圍為0.02Hz25.599Hz,頻率分辨率為0.02Hz。- -直接頻譜儀法是一種最容易、最簡單的相位噪聲測量技術，它可以直接顯示單邊帶相位噪聲Lp(f),精確地顯示兩邊帶上的離散信號。該方法最適宜測量漂移 較小但相位噪聲相對較高的信號源。其缺點是不能測量頻譜純凈的源，這主要是受頻譜儀的動態范圍和最小分辨帶寬的限制；不能分辨調幅噪聲和相位噪聲，故對調 幅噪聲嚴重的源不能直接測得相位噪聲Lp(f)，

7、也不適于測量漂移嚴重的源的Lp(f)。-2.鑒頻法-鑒頻法也稱單源法。就是將被測信號源的頻率起伏f由某種微波鑒頻器變為電壓起伏V，用基帶頻譜儀進行測量，直接得出Sf(f),進而也可求出Sj(f)或者Lp(f)。- -系統工作原理如下：將被測源信號經功分器分兩路，一路經寬帶延遲線時延d，以便將頻率起伏變為相位起伏j后進入鑒相器，另一路信號經寬帶可變移相器 相移后進入鑒相器進行正交鑒相，由鑒相器將相位噪聲轉換為電壓噪聲，經A/D、FFT和功率譜估計等信號處理后，測得被測信號的相位噪聲功率譜Sj(f) 和相對單邊功率譜Lp(f)。-Lp(f)=(1/2)Sj(f)=Sf(f)/f2=S(f)/K2d

8、f2-Kd=2dKj-式中，Sf(f)為被測源信號頻率起伏功率譜，S(f)為鑒相器輸出電壓功率譜，Kd為鑒頻系數，Kj為鑒相器系數。-鑒頻法具有不需要參考頻率源、低的寬頻帶噪聲底部、抑制調幅、結構簡單等特點。但是該方案在近載頻處系統靈敏度低，Sj(f)1/f2；寬帶延遲線、寬帶移相器制作困難，只適宜于測量近載頻噪聲電平較高，即頻率隨機漂移較大振蕩器。-3.鑒相法-鑒相法也稱相位檢波器法，這種方法是將被測信號與一同頻高穩定的參考源進行正交鑒相，該法的脈沖調制波頻穩測試系統方框圖如圖2所示。- -在此方案中，采用外差方式將被測源信號降至中頻，在中頻用晶體濾波器和含VCXO（壓控晶體振蕩器）的PLL

9、提純，以獲取被測信號的連續載波信號，該信 號經相移后與被測信號鑒相器中正交鑒相，提取被測信號的相位噪聲。提純載波信號的目的是為了避免被測信號中的相位噪聲與載波信號在鑒相器中互相抵消，造成 測試誤差。鑒相器將被測信號的相位噪聲轉換為電壓噪聲。經A/D、FFT、功率譜估計等信號處理后，測得Sj(f)或Lp(f)。如果用于連續波相噪測 試，則該測試系統的相位提純支路可進一步簡化。-該方案的優點是采用外差方案，被測信號頻率范圍寬，系統靈敏度較高。缺點是載波提純，移相器的研制較困難，而且相移器、晶體濾波器特性、鑒相增益Kj等受溫度和噪聲大小等諸多因素的影響而變化，不易實現自動化測量。- 4.中頻譜分析法

10、-中頻頻譜分析法頻穩測試實驗系統方框圖如圖3所示。- -在圖3系統中，被測源信號與參考源信號混頻后產生一個中頻信號，該信號經聲表（SAW）濾波器，低噪聲放大后進入A/D變換器，A/D變換器的采樣頻率 需滿足帶通采樣定理，采樣頻率信號由DDS和PLL產生，采得的數據經高速緩存送入PC進行數據處理，經FFT、功率譜估計等，獲得的Sj(f)或Lp (f)可直接在PC屏幕上顯示。-該方案在中頻進 行帶通采樣，利用現代數字信號處理技術獲得被測脈沖調制波的Sj(f)或Lp(f)，大大簡化了脈沖調制波頻穩測試系統的復雜度，并具有測試高度自動化的 優點。隨著高速、高精度A/D變換器技術指標的不斷提升，測試系統的靈敏度將更進一步提高，并滿足現代脈沖調制波頻穩測試的更高要求。圖3的實驗系統，僅 用了一個