【導讀】相位噪聲指標對于當前的射頻微波系統、移動通信系統、雷達系統等電子系統影響非常明顯，將直接影響系統指標的優劣。該項指標對于系統的研發、設計均具有指導意義。相位噪聲指標的測試手段很多，如何能夠精準的測量該指標是射頻微波領域的一項重要任務。隨著當前接收機相位噪聲指標越來越高，相應的測試技術和測試手段也有了很大的進步。同時，與相位噪聲測試相關的其他測試需求也越來越多，如何準確的進行這些指標的測試也愈發重要。
1、引言
隨著電子技術的發展，器件的噪聲系數越來越低，放大器的動態范圍也越來越大，增益也大有提高，使得電路系統的靈敏度和選擇性以及線性度等主要技術指標都得到較好的解決。同時，隨著技術的不斷提高，對電路系統又提出了更高的要求，這就要求電路系統必須具有較低的相位噪聲，在現代技術中，相位噪聲已成為限制電路系統的主要因素。低相位噪聲對于提高電路系統性能起到重要作用。
相位噪聲好壞對通訊系統有很大影響，尤其現代通訊系統中狀態很多，頻道又很密集，并且不斷的變換，所以對相位噪聲的要求也愈來愈高。如果本振信號的相位噪聲較差，會增加通信中的誤碼率，影響載頻跟蹤精度。相位噪聲不好，不僅增加誤碼率、影響載頻跟蹤精度，還影響通信接收機信道內、外性能測量，相位噪聲對鄰近頻道選擇性有影響。如果要求接收機選擇性越高，則相位噪聲就必須更好，要求接收機靈敏度越高，相位噪聲也必須更好。
總之，對于現代通信的各種接收機，相位噪聲指標尤為重要，對于該指標的精準測試要求也越來越高，相應的技術手段要求也越來越高。
2、相位噪聲基礎
2.1、什么是相位噪聲
相位噪聲是振蕩器在短時間內頻率穩定度的度量參數。它來源于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面：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。該定義最早是基于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。 該定義基于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，然后測量某一頻偏處噪聲功率，最后做計算即可得到相位噪聲值。
3.1.2、頻譜儀自動測試(Phase Noise)
該方法還是基于頻譜儀測試載波功率和噪聲功率，但是可以自動進行測試，并顯示出完整的測試曲線，頻偏范圍可以自由設定，操作簡便快捷，精準度比頻譜儀直接測試法要高，測試速度要快。
總之，頻譜儀法測試相位噪聲均基于頻譜測試的結果進行相位噪聲的計算，該測試法無法區分調幅噪聲和相位噪聲，靈敏度受儀器固有的相位噪聲限制，無載波抑制，測量范圍受分辨率濾波器形狀因子限制，動態范圍有限等缺點;但是，該方法測試設置簡單、快捷，頻率偏移范圍大，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;并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后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，并假定ƒL= ƒR ，得到：
對于小的相差， 簡化得到：
3.2.2、延遲線測試法
延遲線法是把被測信號分成兩路，一路信號經過延遲線后與另一路經過一個移相器移相后的信號進行鑒相，然后再濾波放大分析。延遲線的作用是將頻率的變化轉化為相位的變化，當頻率變化時，將在延遲線中引起相位正比例的變化。雙平衡混頻器將相位變化轉化為電壓變化。
該測試方法具有載波抑制、調幅噪聲測試功能，測試時不需要額外的參考源，不需要信號同步，頻率漂移不再是問題。但是該測試方法高頻時損耗較大，使得測試靈敏度較低，而且測試時需要校準，操作較為復雜。
3.2.3、鎖相環測試法
由于振蕩器的相位跳動，90度的相位偏移并不能時刻穩定。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。
由于鎖相環路的引入會對相位噪聲測量帶來影響，在環路帶寬內，振蕩器的相位噪聲將會被改善，因此在測量過程中需要對環路帶寬內的相位噪聲進行修正。通過鎖相環的環路帶寬特性，可以計算出環路增益，從而可以對測量結果進行修正。
鑒相器法測試相位噪聲具有很多優點。
其中一個重要優點是鑒相后信號的載波被抑制，接收機的中頻增益與載波電平無關，因此可以大大提高相位噪聲的測試靈敏度。另外，可以采用低噪聲放大器對鑒相后的信號進行放大，從而可以降低測量接收機的噪聲系數，從而進一步提高其測試靈敏度。
同時，對于信號中同時存在的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°，則鑒相后輸出對AM噪聲的抑制可以高達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制，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，對于該測試方法也有相應的局限性，該方法設置相對復雜，測量前有時需要做測試校準和PLL參數計算;相對頻譜儀方法來說，鑒相器法的測量頻偏范圍較窄。同時，由于信號源特性除了相位噪聲指標外，還需要測量如諧波特性，雜散特性，鄰信道抑制比等指標，而該方法則無法完成這些測量，還需要用頻譜儀功能來實現。
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，脈沖相位噪聲，附加相位噪聲，脈沖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。并且可以在大信號存在時測量小電平信號的相位噪聲。
4、脈沖信號相位噪聲測試原理和方法
脈沖調制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，測試脈沖調制信號的相位噪聲就需要針對不同脈沖調制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，測試脈沖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相當復雜，實現起來很困難，操作也比較復雜。
4.2、數字相位解調法
數字相位解調法得益于強大的數字處理能力，測試脈沖調制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沖調制。PRF濾波器和脈寬加時間門在DSP中實現，易于處理不同PRF，無需復雜的校準，也可實現脈沖附加相噪的測量。
使用數字相位解調法測量脈沖信號的相位噪聲首先采用零掃寬自動檢測脈寬和周期，檢測到脈沖信號之后可以自動的根據脈寬設置時間門長度，根據周期設置最大頻偏，然后進行測試。最大可測量頻偏為PRF/2，并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(殘余)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。
直接使用頻譜分析儀或者具有鑒相器法測試功能的信號源分析儀測試附加相位噪聲時，一般都需要使用外部信號源和移相器，信號源和移相器指標的好壞會直接影響測試結果，并且實際操作非常復雜(需要精準的調節移相器的相位)，由于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，需要進行復雜的校準。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，并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測試對于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，并測試VCO的所有參數。
5.4、瞬態測試
基于目前的相位噪聲分析儀可以進行瞬態測試，瞬態測試主要應用于跳頻信號的測試，尤其是寬帶跳頻信號的跳頻時間測試。瞬態測試一般可以分為窄帶模式和寬帶模式，目前寬帶跳頻信號的分析功能可以實現256MHz-8GHz頻段范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沖信號的相位噪聲指標，亦或是測試AM噪聲等相關測試，測量結果都會受到參考源和鑒相器本身相位噪聲的影響。為了進一步提高測試靈敏度，降低參考源和鑒相器的影響，可以在鑒相器法或數字相位解調法的基礎之上采用互相關技術。其方法的核心為互相關電路以及互相關算法。被測信號被分成兩路，一路信號與一參考信號源進行鑒相或數字解調，而另一路信號則與另一參考源進行鑒相或數字解調，兩路輸出信號分別進行濾波、放大和ADC采樣，然后進行互相關運算。互相關技術對測量靈敏度的提高程度取決于互相關運算次數。通過對10000次測量結果求和，參考振蕩器和測試系統的噪聲測試性能可提高20 dB。
但是，隨著互相關次數的增多，測試的時間會有所加長，尤其是載波近端的相位噪聲測試，多次互相關將需要很長的測試時間。尤其是鑒相器法采用互相關算法時會帶來較長的測試時間，而數字相位解調法基于強大的數字信號處理能力，與鑒相器法采用互相關算法相比較，測試速度會有較大的提高，大大提高測試的效率。
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、調試必須進行測試的一項指標，測試準確度要求較高，需要考慮的因素較多。最新的數字相位解調法不需要鎖相環，無需環路帶寬內的噪聲抑制補償，相同靈敏度下，極大提高測試效率。數字相位解調法非常易于實現脈沖相位噪聲，附加相位噪聲，脈沖附加相位噪聲測試，VCO測試及瞬態測試等多項測試要求，可以極大的滿足多方面測試要求。并且可以進行多種測試需求的并行測量。同時數字相位解調法測試比較簡單，無需復雜的操作設置，測試速度快。尤其是數字相位解調法基礎之上增加互相關算法進行測試，使得測試靈敏度極高，是目前進行相位噪聲測試以及其他相關測試最優異的測試方法和手段。
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