天华中威科技微波小课堂_如何准确测试相位噪声

相位噪声是表征CW信号频谱纯度的非常重要的参数，衡量了信号频率的短期稳定度。通常所说的相噪为单边带(SSB) 相位噪声，相噪的好坏对于系统的性能至关重要！

· 对于终端通信而言，如果接收机LO的相噪较差，且在信道附近存在较强的单音干扰时，在下变频过程中因交叉调制将导致信道内的噪声增加，从而恶化信噪比，严重时将无法进行正常通话！

· 对于卫星通信而言，如果发射机LO的相噪较差，将直接恶化数字调制信号的质量，星座图模糊，EVM变差，从而影响有效的数据传输！

· 对于雷达而言，如果整机的LO相噪较差，将导致部分目标的微弱回波信号淹没在强回波信号的边带中，从而无法正常检测！

由此可见，相噪性能是保证系统性能的重要前提！

因此，在设备研制阶段，通过合适的测量手段检验相噪性能是非常重要的一个工作环节。如何检验信号的相噪性能呢？

对于相位噪声的测试，目前业界常用的方法包括：基于频谱仪的测试方法和基于鉴相器的测试方法。使用频谱仪测试相噪又可分为，直接标定法和使用专门的相噪选件进行自动化测试。直接标定法即手动测试，经济实惠，但是操作相对繁琐；使用相噪选件自动化测试操作方便，可以直接给出相噪曲线，但是需要购买！至于基于鉴相器方法的设备，属于更加专业的相噪测试设备，测试能力更强，当然也是价格不菲的。

如果在研发阶段，只是要检验某些频偏处的相噪，而不要求直接得到相噪曲线，可以考虑使用频谱仪直接标定信号相噪，直接标定法也是下面要重点介绍的内容。

本文将首先介绍相噪的定义，然后介绍影响频谱仪相噪测试能力的因素，最后将给出手动测试相噪的关键步骤及注意事项。

相位噪声是如何定义的？

相噪的定义是大家所熟知的，如图1所示，在距离载波fc 一定频偏处的噪声功率谱密度与载波功率的比值即为相位噪声，通常是指单边带相位噪声(SSB PN)，单位为dBc/Hz。“c”可以理解为载波carrier，意思是相对载波的电平。类似地，在描述谐波失真度时通常也采用单位dBc。

对于理想的CW信号，其频谱为单根谱线，而实际上由于相位噪声的存在，使得其频谱具有图1所示的边带，距离载波越远，边带幅度越小，意味着相位噪声也越好。

相位噪声的存在，使得信号的相位是随机波动的。之所以信号具有图1所示的边带，是因为相位噪声相当于宽带噪声对信号进行了相位调制！当然，信号的幅度也是存在波动的，相当于宽带噪声对信号进行了幅度调制，这部分噪声称为调幅噪声。相位噪声和调幅噪声并存，使得信号具有一定的边带。

实际上，按照上述定义得到的相噪测试结果既包含了相位噪声，也包含了调幅噪声，通常调幅噪声相对于相位噪声要小得多，可以忽略，因此也就将测试结果当作相位噪声了。基于频谱仪的相噪测试，无论是直接标定还是自动化测试，都是这种情形。如果要分离出相位噪声和调幅噪声，只能采用鉴相测试方法了。

值得一提的是，能够分离相位噪声和调幅噪声只是鉴相器测试法的特性之一，鉴相器法的最主要目的是为了改善相噪测试灵敏度，提高相噪测试能力！

图1. 单边带相位噪声的定义

决定频谱仪相噪测试能力的因素有哪些？

曾经有过这样的困惑，频谱仪怎么会有相噪的指标，相噪不是信号源的指标吗？后来才明白，频谱仪的相噪其实是内部LO信号的相噪，而且它决定了频谱仪近端相噪的测试能力。频谱仪自身的相噪越低，则相噪测试能力越强！

频谱仪自身的相噪是如何影响其相噪测试能力的呢？

以图2为例，假设RF信号是理想的，LO信号具有一定的边带，在下变频过程中，除了将RF信号变频至IF外，LO信号的边带也会一起搬移至IF。混频器实际上起到乘法器的作用，RF信号与LO信号相乘实现下变频的同时，也会与LO信号边带包含的频率成分相乘，从而使得边带也变频至IF附近。有的文献将此称为互易混频，互易混频使得LO信号的边带搬移至IF。

近端相噪测试通常只关注1MHz频偏范围内的相噪，考虑双边带时，对应的是fc± 1MHz范围内的边带。对于混频器而言，可以认为在2MHz这么窄带宽内的变频损耗是恒定的，这意味着对于图2所示的例子，IF信号的相噪与LO信号的相噪是相同的！这个相噪就是频谱仪自身的相噪“底噪声”，一般称为相噪测试灵敏度，决定了频谱仪的相噪测试能力。

如果待测信号的相噪低于频谱仪自身的相噪，当然是测不出信号真实的相噪水平。检定频谱仪相噪指标时，一般会选择一台相噪更好的信号源，相噪测试结果能够反映出频谱仪自身的水平。

如果要准确测试信号的相噪，则要求频谱仪自身相噪比待测信号好很多，按照经验，至少优异10dB以上，才能保证测试精度！

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图2. LO的相噪因互易混频搬移至IF输出信号

以上介绍了影响近端相噪测试能力的因素，随着频偏的不断增大，LO信号的相噪也是逐渐降低的，此时决定仪表相噪测试能力的因素可能不再是LO的相噪，而是仪表的底噪声。

如何判断频谱仪底噪声是否影响远端相噪测试呢？

有两种方法可以尝试：

(1) 降低信号功率，观测远端边带是否也跟随降低，如果没有变化，说明底噪声确实影响远端相噪测试；如果远端边带也随之降低，则说明底噪声带来的影响很小。

(2) 直接关闭信号，保证频谱仪其它设置不变，对比此时的底噪声与关闭信号之前的远端边带功率的大小。如果底噪声低于远端边带功率(建议10dB以上)，则对测试影响较小；如果底噪声与远端边带持平，则必然会影响测试结果！

如果底噪声影响了远端相噪测试，如何解决呢？

可以在一定程度上增大信号功率，因为信号功率越高，边带功率也随之提高，使其高出底噪一定水平，从而保证测试精度。但不能导致频谱仪过载，否则将扰乱测试结果，必要时，可以使用陷波器抑制载波信号。

或者选择底噪声更低的频谱仪进行测试！

如何使用直接标定法准确测试相噪？

了解影响频谱仪相噪测试能力的因素之后，下面介绍一下如何使用直接标定法测试信号的相噪。

这里不涉及频谱仪具体的操作，只给出关键的测试步骤及注意事项。

为了提高相噪测试精度，建议适当提高信号功率，以得到更高的边带功率，推荐信号功率在±5dBm范围之内，太强可能导致频谱仪过载。

直接标定法操作步骤(推荐) ：

Step 1：设置合适的中心频率和Span，使得能够显示信号频谱并覆盖需要测试的频偏范围。

Step 2：将频谱仪射频前端衰减度设置为0dB，以降低底噪，提高相噪测试精度，这一点对于远端相噪测试尤为重要。

Step 3：将频谱仪的显示检波器类型选择为RMS检波器，这个在之前的文章“如何选择显示检波器”中已有说明，为了得到更加稳定的测试结果，可以考虑增大扫描时间。

Step 4：设置合适的RBW，RBW并不是越小对测试越有利，降低RBW并不会改善远端相噪测试能力，因为底噪降低的同时，边带功率也会降低，而且RBW太小，速度太慢。但是当测试近端相噪时，比如频偏100kHz以内，RBW需要设置小一点，以对载波信号充分抑制，否则会严重影响相噪测试能力！

近端相噪测试过程中，可以通过逐步降低RBW来选择合适的值，降低RBW的过程中，当相噪测试结果不再降低时，选取此时的RBW即可。

Step 5：确定载波信号功率及待测频偏处的噪声功率谱密度，以计算相位噪声。

通过Marker功能很容易确定载波信号功率PC，当然也很容易确定待测频偏处的功率PSSB，则噪声功率谱密度可通过下式计算：

PSD=PSSB - 10lg(RBW ) (dBm/Hz )

则相噪测试结果为

PN=PSD - PC (dBc/Hz )

目前业界大部分频谱仪都支持使用Marker直接测试功率谱密度，再通过显示Marker的delta mode便可以直接显示相噪结果，这样就省去了上述计算步骤，使用非常方便！

原创工程师：海川