蔡昊迪，王晴強

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所,江蘇　蘇州　215011）

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相位噪聲測試解決方案

蔡昊迪，王晴強

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所,江蘇蘇州215011）

摘要：闡述了相位噪聲的有關(guān)定義,介紹了用頻譜分析儀測量信號相位噪聲的原理及方法,并提出了用頻譜分析儀加載相關(guān)應(yīng)用軟件,以軟硬件相結(jié)合的方式快速地測量相位噪聲的方法,對于節(jié)省相位噪聲的測量時間、提高工作效率具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：相位噪聲；頻譜分析儀；測量原理；測量軟件

0　引言

相位噪聲是衡量頻率標準源頻穩(wěn)質(zhì)量的重要指標,目前,很多的電子系統(tǒng)和儀器設(shè)備都需要進行相位噪聲的測試。然而,隨著頻率標準源性能的不斷改善,相應(yīng)噪聲量值變得越來越小,因而對相位噪聲的測量的要求也變得越來越高。在實際工作中對如何利用已有的測試設(shè)備、如何選用合適的測量方法對頻率參量進行準確而有效的測量是很多工程師需要探討的課題。傳統(tǒng)的零拍測量法已面臨嚴重的挑戰(zhàn),因而本文在論述利用頻譜分析儀測量相位噪聲的原理的基礎(chǔ)上,提出了直接用頻譜分析儀測量相位噪聲的解決方案。

1　相位噪聲的定義

相位噪聲是指在系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲的作用下引起的輸出信號相位的隨機起伏,是對信號時間變化的一種測量方式,其結(jié)果在頻率域內(nèi)顯示。如果用一個振蕩器信號來描述相位噪聲,當沒有相位噪聲時,振蕩器的整個功率都應(yīng)集中在中心頻率f0處；但相位噪聲的出現(xiàn)將振蕩器的一部分功率轉(zhuǎn)移到附近的頻率中去,產(chǎn)生了邊帶。在離中心頻率一定距離的偏移頻率處,邊帶功率降到1/fm, fm是該頻率偏離中心頻率的差值[3],如圖1所示。

相位噪聲通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值,其中, dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。一個振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1 Hz帶寬內(nèi)的信號功率與信號的總功率的比值。

圖1　相位噪聲示意圖

2　頻譜分析儀的測量原理

頻譜儀是以頻域方式對信號參數(shù)進行分析的儀器,其實質(zhì)為一連續(xù)選頻式電壓表或掃頻測試接收機,主要用來觀察各種調(diào)制信號的波形、功率、線性、調(diào)制度和信號源的諧波失真,以及相位噪聲的測試等。相位噪聲是對頻率綜合器或者是信號源的頻率穩(wěn)定度的一種度量,是衡量頻率源穩(wěn)定度的重要參數(shù)。在頻譜分析儀上,信號的所有不穩(wěn)定度總和（即相位噪聲和幅度噪聲的總和）表現(xiàn)為載波兩側(cè)的噪聲邊帶,通常當已知幅度噪聲遠小于相位噪聲時（小于10 dB）,在頻譜儀上讀出的邊帶噪聲即為相位噪聲。

3　相位噪聲的測量

3.1頻譜分析儀對信號相位噪聲的基本測量法

利用頻譜分析儀對信號發(fā)生器的相位噪聲進行定量的測量時,一般應(yīng)考慮載波附近10 Hz、100 Hz、1 KHz、10 KHz、100 KHz、1 MHz的邊帶噪聲,其條件是這些邊帶噪聲比被測信號發(fā)生器的邊帶噪聲小[2]。儀器連接方式如圖2所示,具體步驟如下所述。

圖2　儀器連接示意圖

a）按圖2所示的結(jié)構(gòu)連接好信號發(fā)生器和頻譜分析儀。

b）調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出為載波輸出,設(shè)定所需測量頻率點,調(diào)節(jié)功率值。

c）調(diào)節(jié)頻譜分析儀的中心頻率為載波頻率,并設(shè)置好掃頻寬度、分辨率帶寬、視頻帶寬、掃描時間、垂直刻度和參考電平,使被檢信號發(fā)生器的主頻譜信號幅度可方便讀數(shù)。

d）測量載頻功率Lc,偏離載頻幅度100 Hz～1 MHz處的功率L,相位噪聲功率的計算公式如下所示。

3.2頻譜分析儀加裝選件對信號相位噪聲的測量法

利用頻譜分析儀加裝選件對信號的相位噪聲進行測量的具體步驟如下所述。

a）按“MODE”鍵,選擇“Phase Noise”測量模式。

b）按“MEASURE”鍵,選擇“Log Plot”。

c）按“SWEEP”鍵,將SWEEP模式設(shè)為“Signal”。

d）按“Marker”鍵,將“Marker Table”設(shè)為“On”狀態(tài)。

e）按“Meas Setup”,將“Smoothing”設(shè)定在0.00％～16％之間。

f）按“Meas Setup”,將“Avg Number”設(shè)為10并設(shè)置為“On”狀態(tài)。

g）按“Span”鍵,設(shè)定“Start Offset”和“Stop Offset”所要測量的偏離載波的頻偏頻率。

h）按“Meas Setup”鍵,將“Decade Table”設(shè)為“On”狀態(tài)。

i）按“FREQUENCY Channel”鍵,將“Carrier Freq”設(shè)成與需要測量的信號的頻率一致的中心頻率。

j）按“Restart”鍵進行測量,測量結(jié)果如圖3所示。

圖3　相位噪聲測量結(jié)果

4　結(jié)束語

相位噪聲是衡量頻率源穩(wěn)定度的重要參數(shù)。目前,隨著頻率標準源性能的不斷改善,相應(yīng)噪聲量值變得越來越小,因而對相位噪聲譜的測量的要求也變得越來越高?；诖?本文提出了一種利用頻譜分析儀加載相關(guān)應(yīng)用軟件,以軟硬件相結(jié)合的方式快速地測量相位噪聲的方法,從而大大地節(jié)省了測量時間,提高了工作效率。

參考文獻：

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[3]張海明.頻率源的相位噪聲特性分析[J] .無線電通信技術(shù). 1999, 25（1）: 25-27.

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[5] ROBINS W P.相位噪聲[M] .秦士,姜遵富,譯.北京:人民郵電出版社, 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

作者簡介：蔡昊迪（1986-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所助理工程師，主要從事無線電電子學計量工作。

收稿日期：2015-06-03修回日期：2016-01-27

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.014

中圖分類號：TM 937.4

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5468（2016）01-0060-03