相位噪声测试解决方案

蔡昊迪，王晴强

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所,江苏　苏州　215011）



相位噪声测试解决方案

蔡昊迪，王晴强

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所,江苏苏州215011）

摘要：阐述了相位噪声的有关定义,介绍了用频谱分析仪测量信号相位噪声的原理及方法,并提出了用频谱分析仪加载相关应用软件,以软硬件相结合的方式快速地测量相位噪声的方法,对于节省相位噪声的测量时间、提高工作效率具有重要的意义。

关键词：相位噪声；频谱分析仪；测量原理；测量软件

0　引言

相位噪声是衡量频率标准源频稳质量的重要指标,目前,很多的电子系统和仪器设备都需要进行相位噪声的测试。然而,随着频率标准源性能的不断改善,相应噪声量值变得越来越小,因而对相位噪声的测量的要求也变得越来越高。在实际工作中对如何利用已有的测试设备、如何选用合适的测量方法对频率参量进行准确而有效的测量是很多工程师需要探讨的课题。传统的零拍测量法已面临严重的挑战,因而本文在论述利用频谱分析仪测量相位噪声的原理的基础上,提出了直接用频谱分析仪测量相位噪声的解决方案。

1　相位噪声的定义

相位噪声是指在系统内各种噪声的作用下引起的输出信号相位的随机起伏,是对信号时间变化的一种测量方式,其结果在频率域内显示。如果用一个振荡器信号来描述相位噪声,当没有相位噪声时,振荡器的整个功率都应集中在中心频率f0处；但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率转移到附近的频率中去,产生了边带。在离中心频率一定距离的偏移频率处,边带功率降到1/fm, fm是该频率偏离中心频率的差值[3],如图1所示。

相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值,其中, dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1 Hz带宽内的信号功率与信号的总功率的比值。

图1　相位噪声示意图

2　频谱分析仪的测量原理

频谱仪是以频域方式对信号参数进行分析的仪器,其实质为一连续选频式电压表或扫频测试接收机,主要用来观察各种调制信号的波形、功率、线性、调制度和信号源的谐波失真,以及相位噪声的测试等。相位噪声是对频率综合器或者是信号源的频率稳定度的一种度量,是衡量频率源稳定度的重要参数。在频谱分析仪上,信号的所有不稳定度总和（即相位噪声和幅度噪声的总和）表现为载波两侧的噪声边带,通常当已知幅度噪声远小于相位噪声时（小于10 dB）,在频谱仪上读出的边带噪声即为相位噪声。

3　相位噪声的测量

3.1频谱分析仪对信号相位噪声的基本测量法

利用频谱分析仪对信号发生器的相位噪声进行定量的测量时,一般应考虑载波附近10 Hz、100 Hz、1 KHz、10 KHz、100 KHz、1 MHz的边带噪声,其条件是这些边带噪声比被测信号发生器的边带噪声小[2]。仪器连接方式如图2所示,具体步骤如下所述。

图2　仪器连接示意图

a）按图2所示的结构连接好信号发生器和频谱分析仪。

b）调节信号发生器输出为载波输出,设定所需测量频率点,调节功率值。

c）调节频谱分析仪的中心频率为载波频率,并设置好扫频宽度、分辨率带宽、视频带宽、扫描时间、垂直刻度和参考电平,使被检信号发生器的主频谱信号幅度可方便读数。

d）测量载频功率Lc,偏离载频幅度100 Hz～1 MHz处的功率L,相位噪声功率的计算公式如下所示。

3.2频谱分析仪加装选件对信号相位噪声的测量法

利用频谱分析仪加装选件对信号的相位噪声进行测量的具体步骤如下所述。

a）按“MODE”键,选择“Phase Noise”测量模式。

b）按“MEASURE”键,选择“Log Plot”。

c）按“SWEEP”键,将SWEEP模式设为“Signal”。

d）按“Marker”键,将“Marker Table”设为“On”状态。

e）按“Meas Setup”,将“Smoothing”设定在0.00％～16％之间。

f）按“Meas Setup”,将“Avg Number”设为10并设置为“On”状态。

g）按“Span”键,设定“Start Offset”和“Stop Offset”所要测量的偏离载波的频偏频率。

h）按“Meas Setup”键,将“Decade Table”设为“On”状态。

i）按“FREQUENCY Channel”键,将“Carrier Freq”设成与需要测量的信号的频率一致的中心频率。

j）按“Restart”键进行测量,测量结果如图3所示。

图3　相位噪声测量结果

4　结束语

相位噪声是衡量频率源稳定度的重要参数。目前,随着频率标准源性能的不断改善,相应噪声量值变得越来越小,因而对相位噪声谱的测量的要求也变得越来越高。基于此,本文提出了一种利用频谱分析仪加载相关应用软件,以软硬件相结合的方式快速地测量相位噪声的方法,从而大大地节省了测量时间,提高了工作效率。

参考文献：

[1]全国无线电计量技术委员会.信号发生器检定规程: JJG 173-2003 [S] .北京:中国计量出版社, 2004.

[2]王志田.无线电电子学计量[M] .北京:原子能出版社, 2002.

[3]张海明.频率源的相位噪声特性分析[J] .无线电通信技术. 1999, 25（1）: 25-27.

[4]朱华,黄辉宁,李永庆,等.随机信号分析[M] .北京理工大学出版社, 2002.

[5] ROBINS W P.相位噪声[M] .秦士,姜遵富,译.北京:人民邮电出版社, 1988.

Phase Noise Test Solution

CAI Hao-di, WANG Qing-qiang
（CEPREI-EAST, Suzhou 215011, China）

Abstract:Firstly, the definition of phase noise is described. And then, the principle and method of measuring the phase noise of signal with spectrum analyzer are introduced. At last, the method of loading the relevant application software on a spectrum analyzer to fastly measure phase noise in a combination of software and hardware is proposed, which has an important significance for saving the measurement time and improving the work efficiency.

Key words:phase noise；spectrum analyzer；measurement principle；measurement software

作者简介：蔡昊迪（1986-），男，江苏镇江人，工业和信息化部电子第五研究所华东分所助理工程师，主要从事无线电电子学计量工作。

收稿日期：2015-06-03修回日期：2016-01-27

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.014

中图分类号：TM 937.4

文献标志码：A

文章编号：1672-5468（2016）01-0060-03