1
、引言

 

suizhedianzijishudefazhan，qijiandezaoshengxishuyuelaiyuedi
，fangdaqidedongtaifanweiyeyuelaiyueda，zengyiyedayoutigao
，shidedianluxitongdelingminduhexuanzexingyijixianxingdudengzhuyaojishuzhibiaodoudedaojiaohaodejiejue。tongshi，suizhejishudebuduantigao，duidianluxitongyoutichulegenggaodeyaoqiu，zhejiuyaoqiudianluxitongbixujuyoujiaodidexiangweizaosheng，zaixiandaijishuzhong，xiangweizaoshengyichengweixianzhidianluxitongdezhuyaoyinsu。dixiangweizaoshengduiyutigaodianluxitongxingnengqidaozhongyaozuoyong。

 

相xiang位wei噪zao聲sheng好hao壞huai對dui通tong訊xun係xi統tong有you很hen大da影ying響xiang
，尤you其qi現xian代dai通tong訊xun係xi統tong中zhong狀zhuang態tai很hen多duo
，頻pin道dao又you很hen密mi集ji，並bing且qie不bu斷duan的de變bian換huan，所suo以yi對dui相xiang位wei噪zao聲sheng的de要yao求qiu也ye愈yu來lai愈yu高gao。如ru果guo本ben振zhen信xin號hao的de相xiang位wei噪zao聲sheng較jiao差cha，會hui增zeng加jia通tong信xin中zhong的de誤wu碼ma率lv，影ying響xiang載zai頻pin跟gen蹤zong精jing度du。相xiang位wei噪zao聲sheng不bu好hao，不bu僅jin增zeng加jia誤wu碼ma率lv、影響載頻跟蹤精度，還影響通信接收機信道內
、waixingnengceliang，xiangweizaoshengduilinjinpindaoxuanzexingyouyingxiang。ruguoyaoqiujieshoujixuanzexingyuegao，zexiangweizaoshengjiubixugenghao，yaoqiujieshoujilingminduyuegao，xiangweizaoshengyebixugenghao。

 

zongzhi，duiyuxiandaitongxindegezhongjieshouji
，xiangweizaoshengzhibiaoyouweizhongyao，duiyugaizhibiaodejingzhunceshiyaoqiuyeyuelaiyuegao，xiangyingdejishushouduanyaoqiuyeyuelaiyuegao。

 

2、相位噪聲基礎

 

2.1、什麼是相位噪聲

 

相位噪聲是振蕩器在短時間內頻率穩定度的度量參數。它來源於振蕩器輸出信號由噪聲引起的相位

、頻率的變化。頻率穩定度分為兩個方麵：長期穩定度和短期穩定度
，其中，短期穩定度在時域內用艾倫方差來表示，在頻域內用相位噪聲來表示。

 

2.2、相位噪聲的定義

 

IEEE standard 1139-1988：以載波的幅度為參考，在偏移一定的頻率下的單邊帶相對噪聲功率。這個數值是指在1Hz的帶寬下的相對噪聲電平，其單位為dBc/Hz。該定義最早是基於頻譜儀法測試相位噪聲
，不區分調幅噪聲和調相噪聲。

 

 

IEEE standard 1139-1999：單邊帶相位噪聲L(f)定義為隨機相位波動單邊帶功率譜密度Sφ(f)的一半，其單位為dBc/Hz。其中Sφ(f)為隨機相位波動φ(t)的單邊帶功率譜密度，其物理量綱是rad2/Hz。 該定義基於鑒相器法測量相位噪聲
，使載波降頻變換為接近直流，高噪聲下，會引起L(f)和Sφ(f)之間顯著的差異。

 

 

3、CW信號相位噪聲的測試原理及方法

 

3.1、頻譜儀測試法

 

3.1.1、直接頻譜分析(Marker Function)

 

該方法按照相位噪聲的基本定義
，首先測量中心載波的信號功率
，然後測量某一頻偏處噪聲功率，最後做計算即可得到相位噪聲值。

 

 

3.1.2、頻譜儀自動測試(Phase Noise)

 

該gai方fang法fa還hai是shi基ji於yu頻pin譜pu儀yi測ce試shi載zai波bo功gong率lv和he噪zao聲sheng功gong率lv，但dan是shi可ke以yi自zi動dong進jin行xing測ce試shi，並bing顯xian示shi出chu完wan整zheng的de測ce試shi曲qu線xian，頻pin偏pian範fan圍wei可ke以yi自zi由you設she定ding，操cao作zuo簡jian便bian快kuai捷jie
，精jing準zhun度du比bi頻pin譜pu儀yi直zhi接jie測ce試shi法fa要yao高gao，測ce試shi速su度du要yao快kuai。

 

 

總(zong)之(zhi)，頻(pin)譜(pu)儀(yi)法(fa)測(ce)試(shi)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)均(jun)基(ji)於(yu)頻(pin)譜(pu)測(ce)試(shi)的(de)結(jie)果(guo)進(jin)行(xing)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)的(de)計(ji)算(suan)
，該(gai)測(ce)試(shi)法(fa)無(wu)法(fa)區(qu)分(fen)調(tiao)幅(fu)噪(zao)聲(sheng)和(he)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)，靈(ling)敏(min)度(du)受(shou)儀(yi)器(qi)固(gu)有(you)的(de)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)限(xian)製(zhi)
，無(wu)載(zai)波(bo)抑(yi)製(zhi)，測(ce)量(liang)範(fan)圍(wei)受(shou)分(fen)辨(bian)率(lv)濾(lv)波(bo)器(qi)形(xing)狀(zhuang)因(yin)子(zi)限(xian)製(zhi)，動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)有(you)限(xian)等(deng)缺(que)點(dian);但是，該方法測試設置簡單、快捷，頻率偏移範圍大，可測試很多信號源的特性，比如：雜散發射、鄰信道功率泄漏、高次諧波;並且可以直接顯示相位噪聲曲線(當調幅噪聲忽略不計時)。

 

3.2
、鑒相器測試法

 

3.2.1
、鑒相器測試原理

 

鑒相器法是采用被測信號源與一同頻參考信號源進行鑒相，鑒相器輸出信號經低通濾波器和低噪聲放大器後輸入到頻譜儀或接收機中。

 

 

鑒相器輸入信號兩路正交信號：

 

 

鑒相器的輸出信號UIF(t)：

 

 

經低通濾波，並假定ƒL= ƒR 

，得到：

 

 

對於小的相差， 簡化得到：

 

 

3.2.2
、延遲線測試法

 

延yan遲chi線xian法fa是shi把ba被bei測ce信xin號hao分fen成cheng兩liang路lu，一yi路lu信xin號hao經jing過guo延yan遲chi線xian後hou與yu另ling一yi路lu經jing過guo一yi個ge移yi相xiang器qi移yi相xiang後hou的de信xin號hao進jin行xing鑒jian相xiang，然ran後hou再zai濾lv波bo放fang大da分fen析xi。延yan遲chi線xian的de作zuo用yong是shi將jiang頻pin率lv的de變bian化hua轉zhuan化hua為wei相xiang位wei的de變bian化hua
，當dang頻pin率lv變bian化hua時shi，將jiang在zai延yan遲chi線xian中zhong引yin起qi相xiang位wei正zheng比bi例li的de變bian化hua。雙shuang平ping衡heng混hun頻pin器qi將jiang相xiang位wei變bian化hua轉zhuan化hua為wei電dian壓ya變bian化hua。

 

 

該測試方法具有載波抑製、tiaofuzaoshengceshigongneng，ceshishibuxuyaoewaidecankaoyuan，buxuyaoxinhaotongbu，pinlvpiaoyibuzaishiwenti。danshigaiceshifangfagaopinshisunhaojiaoda，shideceshilingmindujiaodi，erqieceshishixuyaoxiaozhun，caozuojiaoweifuza。

 

3.2.3、鎖相環測試法

 

由於振蕩器的相位跳動，90度的相位偏移並不能時刻穩定。因此需要引入鎖相環路對相位進行鎖定
，以保證兩路信號相位穩定的相差90度。

 

 

由(you)於(yu)鎖(suo)相(xiang)環(huan)路(lu)的(de)引(yin)入(ru)會(hui)對(dui)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)測(ce)量(liang)帶(dai)來(lai)影(ying)響(xiang)，在(zai)環(huan)路(lu)帶(dai)寬(kuan)內(nei)
，振(zhen)蕩(dang)器(qi)的(de)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)將(jiang)會(hui)被(bei)改(gai)善(shan)，因(yin)此(ci)在(zai)測(ce)量(liang)過(guo)程(cheng)中(zhong)需(xu)要(yao)對(dui)環(huan)路(lu)帶(dai)寬(kuan)內(nei)的(de)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)進(jin)行(xing)修(xiu)正(zheng)。通(tong)過(guo)鎖(suo)相(xiang)環(huan)的(de)環(huan)路(lu)帶(dai)寬(kuan)特(te)性(xing)
，可(ke)以(yi)計(ji)算(suan)出(chu)環(huan)路(lu)增(zeng)益(yi)，從(cong)而(er)可(ke)以(yi)對(dui)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)進(jin)行(xing)修(xiu)正(zheng)。

 

鑒相器法測試相位噪聲具有很多優點。

 

其qi中zhong一yi個ge重zhong要yao優you點dian是shi鑒jian相xiang後hou信xin號hao的de載zai波bo被bei抑yi製zhi，接jie收shou機ji的de中zhong頻pin增zeng益yi與yu載zai波bo電dian平ping無wu關guan，因yin此ci可ke以yi大da大da提ti高gao相xiang位wei噪zao聲sheng的de測ce試shi靈ling敏min度du。另ling外wai，可ke以yi采cai用yong低di噪zao聲sheng放fang大da器qi對dui鑒jian相xiang後hou的de信xin號hao進jin行xing放fang大da，從cong而er可ke以yi降jiang低di測ce量liang接jie收shou機ji的de噪zao聲sheng係xi數shu，從cong而er進jin一yi步bu提ti高gao其qi測ce試shi靈ling敏min度du。

 

同時

，對於信號中同時存在的AM噪聲和相位噪聲。可以通過調整兩路信號的相位差
，使鑒相器可以分辨AM噪聲和相位噪聲。如果兩路鑒相信號相位相差90°
，則鑒相後輸出對AM噪聲的抑製可以高達40dB，當兩路鑒相信號相位相差 0° 時
，則輸出結果僅有AM噪聲。

 

該測試方法的另一優點是，相位噪聲的測試不在受參考源的限製，因為可以選擇非常好的相位噪聲的源作為測量的參考。

 

該測試方法還可以采用雙DUT法進行相位噪聲的測量，當存在兩個相同的高性能被測信號源時可以采用該方法
，測量結果需要做3dB的修正。

 

但是
，對於該測試方法也有相應的局限性
，該方法設置相對複雜，測量前有時需要做測試校準和PLL參數計算;相(xiang)對(dui)頻(pin)譜(pu)儀(yi)方(fang)法(fa)來(lai)說(shuo)，鑒(jian)相(xiang)器(qi)法(fa)的(de)測(ce)量(liang)頻(pin)偏(pian)範(fan)圍(wei)較(jiao)窄(zhai)。同(tong)時(shi)，由(you)於(yu)信(xin)號(hao)源(yuan)特(te)性(xing)除(chu)了(le)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)指(zhi)標(biao)外(wai)
，還(hai)需(xu)要(yao)測(ce)量(liang)如(ru)諧(xie)波(bo)特(te)性(xing)
，雜(za)散(san)特(te)性(xing)，鄰(lin)信(xin)道(dao)抑(yi)製(zhi)比(bi)等(deng)指(zhi)標(biao)，而(er)該(gai)方(fang)法(fa)則(ze)無(wu)法(fa)完(wan)成(cheng)這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)，還(hai)需(xu)要(yao)用(yong)頻(pin)譜(pu)儀(yi)功(gong)能(neng)來(lai)實(shi)現(xian)。

 

3.3
、數字相位解調測試法

 

針對以上測試方法的不足，目前最新的相位噪聲測試的方法為數字相位解調法。該測試方法可以直接進行I/Q解調測量, 轉換為Sf(f), 再計算L(f)。數字相位解調法無鑒相器和鎖相環
，所以不需要進行環路帶寬修正
，可以簡化校準過程。該測試方法可以測量CW相位噪聲，脈衝相位噪聲，附加相位噪聲，脈衝附加相位噪聲等多項指標。同時該測試方法具有極低的參考源相位噪聲、高速互相關，可以明顯提高測試的靈敏度。並且可以在大信號存在時測量小電平信號的相位噪聲。

 

 

4
、脈衝信號相位噪聲測試原理和方法

 

脈衝調製信號的頻譜包含了中心譜線和不同PRF處的譜線。根據相位噪聲的定義，測試脈衝調製信號的相位噪聲就需要針對不同脈衝調製參數對被測信號進行濾波。

 

 

4.1
、鑒相器法

 

與使用鑒相器法測試CW信號的相位噪聲相比
，測試脈衝信號的相位噪聲指標就需要PRF濾波。對PRF濾波也有明確的要求：PRF濾波器必須帶內平坦度好
、邊緣陡峭;不同的PRF頻率需要不同的PRF濾波器;PRF濾波器必須在PRF/2之內有平坦的通帶
，在PRF之外有很大衰減;同時PRF濾波器衰減了PRF饋通，總之該PRF相當複雜，實現起來很困難，操作也比較複雜。

 

 

4.2、數字相位解調法

 

數字相位解調法得益於強大的數字處理能力

，測試脈衝調製信號的相位噪聲實現起來就比較簡單，該測試方法具有與CW信號相位噪聲測試相同的結構框圖，沒有鑒相器，無需對參考信號進行脈衝調製。PRF濾波器和脈寬加時間門在DSP中實現
，易於處理不同PRF，無需複雜的校準，也可實現脈衝附加相噪的測量。

 

 

使(shi)用(yong)數(shu)字(zi)相(xiang)位(wei)解(jie)調(tiao)法(fa)測(ce)量(liang)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)的(de)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)首(shou)先(xian)采(cai)用(yong)零(ling)掃(sao)寬(kuan)自(zi)動(dong)檢(jian)測(ce)脈(mai)寬(kuan)和(he)周(zhou)期(qi)，檢(jian)測(ce)到(dao)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)之(zhi)後(hou)可(ke)以(yi)自(zi)動(dong)的(de)根(gen)據(ju)脈(mai)寬(kuan)設(she)置(zhi)時(shi)間(jian)門(men)長(chang)度(du)
，根(gen)據(ju)周(zhou)期(qi)設(she)置(zhi)最(zui)大(da)頻(pin)偏(pian)，然(ran)後(hou)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)。最(zui)大(da)可(ke)測(ce)量(liang)頻(pin)偏(pian)為(wei)PRF/2，並且測試時間與連續波時相同。測試效率較高
，操作相對比較簡單
、方便。

 

 

5、其他相關測試

 

5.1、附加(殘餘)相位噪聲的測試原理和方法

 

所謂附加相位噪聲是指由器件或電路附加的相位噪聲。例如放大器，上、下變頻器等。

 

 

zhijieshiyongpinpufenxiyihuozhejuyoujianxiangqifaceshigongnengdexinhaoyuanfenxiyiceshifujiaxiangweizaoshengshi
，yibandouxuyaoshiyongwaibuxinhaoyuanheyixiangqi
，xinhaoyuanheyixiangqizhibiaodehaohuaihuizhijieyingxiangceshijieguo
，bingqieshijicaozuofeichangfuza(需要精準的調節移相器的相位)
，由於附加相位噪聲指標一般來說都比較低
，所以該測試方法測試的結果尤其是準確度比較難以令人滿意。

 

采用具有內部信號源的數字相位解調法進行附加相位噪聲的測試操作比較簡單方便，當選擇“附加相噪”時，自動對內部硬件進行重新配置
，該測試方法無需鑒相器和移相器，而且內部低噪聲頻率合成器產生 DUT 激勵信號，所以該方法很大程度上簡化了測量和校準設置。

 

 

5.2、調幅噪聲的測試原理和方法

 

調幅噪聲測試常用的方法有兩種：一種是使用二極管檢波器進行檢波，但該方法需要外置一個二極管檢波器，需要進行複雜的校準。另一種方法是使用AM解調的方法。使用AM解調的方法操作相對簡單，並且可以同時測試相位噪聲和AM噪聲。采用互相關法的話還可以大大提高測試靈敏度。

 

 

5.3、VCO測試

 

VCO測試對於VCO研發設計、生產使用具有重要的意義，目前的相位噪聲分析儀可以進行完整的VCO測試
，對被測VCO提供直流供電以及調諧供電
，並測試VCO的所有參數。

 

 

5.4

、瞬態測試

 

基ji於yu目mu前qian的de相xiang位wei噪zao聲sheng分fen析xi儀yi可ke以yi進jin行xing瞬shun態tai測ce試shi，瞬shun態tai測ce試shi主zhu要yao應ying用yong於yu跳tiao頻pin信xin號hao的de測ce試shi，尤you其qi是shi寬kuan帶dai跳tiao頻pin信xin號hao的de跳tiao頻pin時shi間jian測ce試shi。瞬shun態tai測ce試shi一yi般ban可ke以yi分fen為wei窄zhai帶dai模mo式shi和he寬kuan帶dai模mo式shi
，目mu前qian寬kuan帶dai跳tiao頻pin信xin號hao的de分fen析xi功gong能neng可ke以yi實shi現xian256MHz-8GHz頻段範圍內的跳頻信號的分析。該應用使得寬帶跳頻時間測試變得極為簡單。

 

 

6、提高相位噪聲測試靈敏度的互相關算法

 

無論測試CW信號相位噪聲還是脈衝信號的相位噪聲指標，亦或是測試AMzaoshengdengxiangguanceshi，celiangjieguodouhuishoudaocankaoyuanhejianxiangqibenshenxiangweizaoshengdeyingxiang。weilejinyibutigaoceshilingmindu，jiangdicankaoyuanhejianxiangqideyingxiang
，keyizaijianxiangqifahuoshuzixiangweijietiaofadejichuzhishangcaiyonghuxiangguanjishu。qifangfadehexinweihuxiangguandianluyijihuxiangguansuanfa。beicexinhaobeifenchenglianglu，yiluxinhaoyuyicankaoxinhaoyuanjinxingjianxianghuoshuzijietiao，erlingyiluxinhaozeyulingyicankaoyuanjinxingjianxianghuoshuzijietiao，lianglushuchuxinhaofenbiejinxinglvbo、放大和ADC采樣，然後進行互相關運算。互相關技術對測量靈敏度的提高程度取決於互相關運算次數。通過對10000次測量結果求和
，參考振蕩器和測試係統的噪聲測試性能可提高20 dB。
 

danshi，suizhehuxiangguancishudezengduo
，ceshideshijianhuiyousuojiachang，youqishizaibojinduandexiangweizaoshengceshi
，duocihuxiangguanjiangxuyaohenchangdeceshishijian。youqishijianxiangqifacaiyonghuxiangguansuanfashihuidailaijiaochangdeceshishijian，ershuzixiangweijietiaofajiyuqiangdadeshuzixinhaochulinengli，yujianxiangqifacaiyonghuxiangguansuanfaxiangbijiao，ceshisuduhuiyoujiaodadetigao


，dadatigaoceshidexiaolv。

 

 

7、總結

 

相位噪聲指標是射頻、微波領域一項非常關鍵的指標，相位噪聲指標的測試是研發、設計、生產、調(tiao)試(shi)必(bi)須(xu)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)的(de)一(yi)項(xiang)指(zhi)標(biao)，測(ce)試(shi)準(zhun)確(que)度(du)要(yao)求(qiu)較(jiao)高(gao)，需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)因(yin)素(su)較(jiao)多(duo)。最(zui)新(xin)的(de)數(shu)字(zi)相(xiang)位(wei)解(jie)調(tiao)法(fa)不(bu)需(xu)要(yao)鎖(suo)相(xiang)環(huan)
，無(wu)需(xu)環(huan)路(lu)帶(dai)寬(kuan)內(nei)的(de)噪(zao)聲(sheng)抑(yi)製(zhi)補(bu)償(chang)，相(xiang)同(tong)靈(ling)敏(min)度(du)下(xia)
，極(ji)大(da)提(ti)高(gao)測(ce)試(shi)效(xiao)率(lv)。數(shu)字(zi)相(xiang)位(wei)解(jie)調(tiao)法(fa)非(fei)常(chang)易(yi)於(yu)實(shi)現(xian)脈(mai)衝(chong)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)，附(fu)加(jia)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)，脈(mai)衝(chong)附(fu)加(jia)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)測(ce)試(shi)
，VCO測ce試shi及ji瞬shun態tai測ce試shi等deng多duo項xiang測ce試shi要yao求qiu，可ke以yi極ji大da的de滿man足zu多duo方fang麵mian測ce試shi要yao求qiu。並bing且qie可ke以yi進jin行xing多duo種zhong測ce試shi需xu求qiu的de並bing行xing測ce量liang。同tong時shi數shu字zi相xiang位wei解jie調tiao法fa測ce試shi比bi較jiao簡jian單dan

，無wu需xu複fu雜za的de操cao作zuo設she置zhi，測ce試shi速su度du快kuai。尤you其qi是shi數shu字zi相xiang位wei解jie調tiao法fa基ji礎chu之zhi上shang增zeng加jia互hu相xiang關guan算suan法fa進jin行xing測ce試shi，使shi得de測ce試shi靈ling敏min度du極ji高gao，是shi目mu前qian進jin行xing相xiang位wei噪zao聲sheng測ce試shi以yi及ji其qi他ta相xiang關guan測ce試shi最zui優you異yi的de測ce試shi方fang法fa和he手shou段duan。

 

 

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