频率源相位噪声测量方案

频率源相位噪声测量方案 陈菽莹

引言

在很多的系统中，如多普勒雷达、数字通信、多通道接收机系统，信号源的频率稳定度很重要。而相位噪声是描述其短期稳定度的一项重要指标，随着频率源性能的不断改善，相应噪声量值越来越小，从而对相位噪声的测量要求也越来越高。

一、什么是相位噪声

我们知道，理想的正弦函数表示为V(t)=V0sin(2πf0t)，其中V0为信号幅度，f0为信号频率。而实际上，信号将受到各种噪声的污染，产生幅度或者相位的浮动，因此函数的表达式将修正为V(t)=[V0+ε(t)]sin[2πf0t+φ(t)]。其中ε(t)为噪声引入的幅度波动，φ(t)为噪声引入的相位波动[1]。如图1所示

t

图1 信号时域波形

小幅度的抖动在时域中并不明显，通常我们将其变换到频域上看。如果没有相位噪声，频率源的功率都将集中在f=f0处。相位噪声的出现使得一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带。

用鉴相器探测相位变化，则相位起伏谱密度为Sφ(f)=

SVrms(f)K2

rad2

Hz[1]。其中，

SVrms(f)为鉴相器输出的电压浮动的功率谱密度，K为鉴相器转换常数（单位volts/radian）。

而单边带相位噪声则定义为在某一给定偏移频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值的dBc/Hz值，单位为。因为只有一半的噪声功率分配到单边带中，故

Hz

dBc

L(f)=

Sφ(f)2

[1][2]。

图2 单边带相位噪声

表1给出常用的信号频率稳定度测量参数

表1 频率源测量参数

二、相位噪声测量方法

通常，测量频率源的相位噪声主要有两种方法：直接频谱仪测量法和鉴相法。其中鉴相法又包含参考源/锁相环测量法、鉴频法和互相关法。下面将分别展开。 I、直接频谱仪测量法

图3 频谱仪原理框图

DUT信号进入频谱仪后与LO混频，产生中频IF，由中频滤波器提取一定带宽下的信号特征。当测得载波一定频偏位置1Hz带宽内噪声功率，该功率与载波信号功率相比就是单边带相位噪声。

这种方法直观又容易实现，但是事实上，所测得的结果不仅有单边带相位噪声，还包含了AM噪声等[2]。只有当AM噪声比相位噪声小很多的时候，测得的结果才近似认为是正确的。而且这种方法的测量灵敏度受到本振噪声的限制，DUT的频率漂移也限制了载波近端相位噪声的测量。

直接频谱仪测量法可测得的相位噪声范围如下图所示，蓝色阴影区为不可测区域。

图4 直接频谱仪测量相位噪声范围

II、参考源/锁相环测量法

图5 参考源/锁相环法原理图

参考源提供与被测信号同频的参考信号，鉴相器将两信号源的相位差转换成电压。锁相环控制两信号源，使得鉴相器输入保持正交（这就要求一个信号源必须是压控的）。低噪放改善基带信号分析灵敏度。当频率1kHz时，为扫频分析。

如图5，我们用双平衡式混频器作为鉴相器。

假设两路输入分别为VLcos(ωLt)，VRcos(ωRt+φ(t))，则混频输出为

VIF(t)=KLVRcos[(ωR−ωL)t+φ(t)]+KLVRcos[(ωR+ωL)t+φ(t)]+L

故经过低通滤波器有V(t)=KLVRcos[(ωR−ωL)t+φ(t)]。当两路输入同频时，即ωR=ωL时，V(t)=KLVRcos[φ(t)]=Vbpeakcos[φ(t)]。令鉴相器两路正交φ(t)=(2N+1)

π

+∆φ(t) 2

则∆V(t)=±Vbpeaksin∆φ(t)。如果∆φ(t)很小，则∆V(t)=±Vbpeak∆φ(t)=Kφ∆φ(t)。Kφ为鉴相常数。

这种测量方案的优势在于有非常低的底噪声，测量范围宽，而且可以摒弃AM噪声的影响。但噪声测量结果将受到锁相环的限制，近端测量需要进行一定的补偿。而且DUT或者是参考源的功率低会提高鉴相器的噪底，或是导致鉴相器不工作。这个问题可以通过在鉴相器前端引入低噪放来解决，但放大器的噪声同样会增加输出噪声。测量的灵敏度将受到参考源本身相位噪声的限制。对飘移速度较快的器件需要高的最大调谐范围（PTR）。

图6 参考源/锁相环法（无参考信号源）测量相位噪声范围

III、鉴频测量法

图7 鉴频法原理图

DUT信号经过延迟线，将频率的抖动转换成相位的抖动。鉴相器探测两路输入的相位差，并转换为电压，后续电路同参考源/锁相环法。

这种测量方法的本底噪声受延迟线长度和最大频偏的限制。增加延迟线的长度可以改善噪底，但会使到达鉴相器的功率减少。其他影响有高AM噪声和DUT输出功率。通常鉴相器可以抑制AM噪声20-30dB，但由于载波近端的相位噪声抑制为60-100dB，AM噪声的影响愈加明显。所以像带GaAs输出放大器的振荡器就不太适合采用这种方法。同参考源/锁相环法，DUT输出功率如果不足以抵消信号分离或延迟线的损耗，鉴相器的功率就不足以工作。同样，如果在信号分析或者鉴相器前加低噪放虽然可以解决问题，但也会同时增加测量的噪底。

该测量方法的优势在于只需要一个DUT作为信号源，灵敏度足以用于VCO的测试，而且远离载波噪声比较低。

图8 鉴频法测量相位噪声范围

IV、互相关测量法

图9 自相关法原理框图

DUT被测信号分成两路，分别经过锁相环路。AD输出信号做互相关[3][9]。 由于互相关通过做向量平均，可以消除两路非相关信号的影响，从而抑制内置参考信号和相关电路的噪声，降低系统的噪底，相对就增强了DUT的噪声信号。内置信号源的噪声削弱程度取决于相关次数的数值，通过改变相关次数，可以使测试灵敏度最多提高20dB。

图10 自相关法测量相位噪声范围[3]

以上方法优劣总结如下：

相位噪声测量方法 优势 直接频谱仪测量

l l

限制

l l l

容易操作

对被测信号做快速测量

测试范围宽

内置低噪的参考源可以测得载波近端极低的相位噪声

可测得载波远端极低噪声 适合YIG等振荡器 容易操作

可在宽范围内测量极低的信号 互相关提高了系统的测试灵敏度

表2 测量相位噪声方法比较[3]

参考源/锁相环法

l l

l l

不能测量载波近端的相位噪声 不能测量漂移信号 测量包含AM噪声

测试灵敏度受参考源影响 搭建平台和校准比较麻烦 不适合测量载波近端的相位噪声 搭建平台和校准比较麻烦 相关次数提高会增加测量时间

鉴频法 互相关法

l l l l l

l l l

三、安捷伦相位噪声测量方案

安捷伦科技有基于数种测试平台的相位噪声测试设备，如频谱仪以及专用的相位噪声测试系统和信号源分析仪等。 频谱仪

图11 PSA系列相位噪声测试

安捷伦高性能

ESA/PSA系列频谱分析仪能迅速评测系统和部件的相噪性能，提供对数坐标图测量和点频测量，相噪抖动结果用度、弧度和秒显示。它扣除了仪器的内部相噪，并通过调整RBW和VBW降低显示仪器的噪声底。PSA通过增加226选件将支持一键测量。

频偏范围 10Hz到100MHz（点频测量）

10Hz到10GHz（对数坐标测量）

输入信号功率 -50dBm到20dBm

±0.29dB

幅度可重复性 ±0.34 dB rms

幅度精度

本底噪声 -120dBc/Hz（@10KHz）

图12 PSA不同频率载波的相噪测试[4][5]

相位噪声测试系统

图13 E5500相位噪声测试系统

安捷伦相位噪声测试系统有E5500系列和4352S等。E5500系列采用鉴相法，内置了高稳定度的参考源[6][7]。

频率范围 50 kHz 到110 GHz 频偏范围 0.01 Hz到2 MHz

0.01Hz到100 MHz

测量精度 ±2dB （

±4dB（

本底噪声 -180 dBc/Hz（>10kHz）

4352S频率范围10MHz 到12.6GHz，频偏范围100Hz到10。

图14 E5500本底噪声[6]

信号源分析仪

SSA

图15 信号源分析仪SSA

安捷伦信号源分析仪SSA专门用于振荡器或频率源，不仅可以用于测量相位噪声，而且可以测量频谱杂散、功率参数等。采用互相关的测试原理，具有极高的测试灵敏度。它采用高精度低噪声的直流电源，10 nsec 采样间隔，测试速度快[8][9]。

频率范围 10MHz至7 GHz / 26.5GHz 频偏范围 1Hz到40 MHz 测量精度

图16 不同频率载波单边带相位噪声

四、常用频率源测量方案

通常我们要测试的振荡器或频率源可分为三类： 1） 自激振荡器（VCO, DRO, YIG） 2） 合成器（自激振荡器和合成PLL）

3） 低噪或超低噪器件（VCXO，STW，SAW，和high Q） 它们的相位噪声特性如图所示：

图17 被测件的相位噪声特性

表3 各种频率源所对应的相噪测量方案

综合以上分析，各种频率源所对应的相噪测量方案总结如表3所示。如果我们需要测量载波近端的相位噪声，应该选择专用的相位噪声测试系统和信号源分析仪。如果测量的是远端的相位噪声，三种测量平台都可以考虑，具体取决于测试对象对仪器噪底的要求。

参考文献

[1] Understanding and Measuring Phase Noise in the Frequency Domain

[2] Choosing a Phase Noise Measurement Technique Concepts and Implementation

[3] Agilent E5052A Signal Source Analyzer Advanced Phase Noise and Transient Measurement

Techniques [4] Phase Noise Guide Agilent Technologies PSA and ESA-E Series Spectrum Analyzers (Option 226) [5] Agilent PSA Series Spectrum Analyzers Phase Noise Measurement Personality [6] Agilent E5500 Series Phase Noise Measurement Solutions

[7] Agilent E5500 Series Phase Noise Measurement Solutions Overview [8] Agilent E5052A Signal Source Analyzer 10 MHz to 7, 26.5, or 110 GHz

[9] Agilent New Phase Noise Measurement Technique--- Using the E5052A SSA with the E5053A