相(xiang)位(wei)噪声(sheng)测量是评估本振(zhen)、混频(pin)(pin)器及放大器等射频(pin)(pin)组件短(duan)期频(pin)(pin)率(lv)稳定性的(de)重要手段。对于致(zhi)力于雷达(da)和数字通信系统的(de)工程(cheng)师而言，能够快(kuai)速且准确(que)地(di)进(jin)行相(xiang)位(wei)噪声(sheng)的(de)测量，是推(tui)动产(chan)(chan)品开发进(jin)程(cheng)的(de)关键。这样的(de)测量能力不 有助(zhu)于提高工作效率(lv)，还能确(que)保产(chan)(chan)品的(de)性能达(da)到良好。

相位(wei)噪声反映了振荡源在特定时间(jian)段内(nei)维持相同频率稳(wen)定性的(de)能(neng)力。针对短期频率稳(wen)定性，工程师们测(ce)量(liang)的(de)是信(xin)号频率在秒级时间(jian)范围内(nei)发生的(de)波动(dong)。这(zhei)样(yang)的(de)测(ce)量(liang)对于(yu)评估和(he)提(ti)升通信(xin)系统及雷达设备(bei)的(de)性能(neng)至(zhi)关(guan)重(zhong)要(yao)。

图 1 中的(de)振荡器产生理想的(de)正常(chang)弦波，不(bu)包含相位(wei)噪声。

图 1：理想(xiang)振(zhen)荡器在频(pin)域中显示

现实中(zhong)，振荡器的(de)相位噪(zao)声会将(jiang)信号功率扩展(zhan)到相邻(lin)频率，如图(tu) 2 中(zhong)的(de)红(hong)线所示。

图 2：振(zhen)荡器的信号能量(liang)随噪(zao)声边带而(er)扩(kuo)散(san)

这些由热噪声(sheng)、散粒噪声(sheng)和闪烁噪声(sheng)引起的噪声(sheng)能量(liang)边带基于载波(bo)对称(cheng)。

单边(bian)带 (SSB) 相位噪声 L(f) 是指载波(bo)特定(ding)偏(pian)移频(pin)率(lv)(lv)处的功率(lv)(lv)密(mi)度(du)与(yu)载波(bo)信号总功率(lv)(lv)的比率(lv)(lv)，如图 3 所示。

图 3：相位噪声测量

相(xiang)位(wei)(wei)噪(zao)(zao)声(sheng)测量通(tong)常基于相(xiang)对(dui)于载(zai)波的(de)偏移频(pin)率 fm 进行评估。鉴于噪(zao)(zao)声(sheng)能(neng)量边带在(zai)载(zai)波两(liang)侧(ce)对(dui)称(cheng)分(fen)布， 需在(zai)单(dan)边带中进行测量即可获取(qu)相(xiang)位(wei)(wei)噪(zao)(zao)声(sheng)特(te)性(xing)。在(zai)1 Hz的(de)测量带宽下，所测得(de)的(de)噪(zao)(zao)声(sheng)能(neng)量功率谱密度(du)结果以dBc/Hz为(wei)单(dan)位(wei)(wei)表示(shi)。这种(zhong)测量方法能(neng)够有(you)效地(di)评估信号的(de)纯(chun)净(jing)度(du)和(he)系统的(de)稳定性(xing)。

相(xiang)对(dui)相(xiang)位噪声(sheng)(sheng)是指由单端口器件（如(ru)振荡(dang)器）自身产生的相(xiang)位噪声(sheng)(sheng)，如(ru)图4所示。它是衡量(liang)信号发生器性能的一项关键指标，尤其对(dui)于(yu)诸(zhu)如(ru)Keysight VXG等高(gao)性能信号源而言，低相(xiang)对(dui)相(xiang)位噪声(sheng)(sheng)是实现(xian)高(gao)质量(liang)信号输(shu)出的重要保证。

图 4：SSA-X 信(xin)号(hao)源分(fen)析仪上的(de)相对相位噪声测量(liang)设(she)置

残余相位噪(zao)声(sheng)（亦称(cheng)加性噪(zao)声(sheng)）是(shi)指多端口器件(jian)（如放(fang)大器）在工作过程中引入(ru)到信(xin)号(hao)中的(de)(de)额(e)外噪(zao)声(sheng)，如图5所(suo)示。为了准确评估这类设备对(dui)信(xin)号(hao)噪(zao)声(sheng)的(de)(de)贡献，残余相位噪(zao)声(sheng)测(ce)量需排除(chu)输入(ru)信(xin)号(hao)源本身噪(zao)声(sheng)的(de)(de)影(ying)响(xiang)，从而 反(fan)映被(bei)测(ce)器件(jian)所(suo)产(chan)生(sheng)的(de)(de)噪(zao)声(sheng)成分。这种测(ce)量方法对(dui)于深(shen)入(ru)理解系统各部分噪(zao)声(sheng)特性具有重要意义(yi)。

图(tu) 5：SSA-X 信号(hao)源分析仪上的残余相位噪声测量设置

雷达(da)检(jian)测回波的频移以确定(ding)目标的运动速度。图 6 显示了雷达(da)系统框(kuang)图。

图 6：雷达系(xi)统框图

如(ru)图7所(suo)示，发射(she)信(xin)号上的(de)(de)相(xiang)(xiang)位(wei)噪(zao)声(sheng)会掩盖目(mu)标的(de)(de)多(duo)普勒回(hui)波信(xin)号。相(xiang)(xiang)比于静(jing)止物(wu)体产生的(de)(de)较强杂波，移动目(mu)标的(de)(de)回(hui)波信(xin)号幅度通常非常微(wei)弱。虽然滤波技术(shu)可(ke)以有(you)效(xiao)抑制(zhi)杂波干扰，但(dan)它无(wu)法消除随机噪(zao)声(sheng)的(de)(de)影响，可(ke)能导(dao)致目(mu)标信(xin)号被遗漏，从而降低(di)检测的(de)(de)准确(que)性(xing)与可(ke)靠性(xing)。

图 7：多普勒信号被杂波所屏蔽

在数字(zi)通(tong)信(xin)(xin)系统中，数字(zi)发(fa)射机(ji)和(he)(he)接收机(ji)中的(de)相位噪声(sheng)会导(dao)致误码率 (BER) 增(zeng)加(jia)。图(tu)8显示了(le)数字(zi)通(tong)信(xin)(xin)系统框图(tu)。该系统中的(de)相位噪声(sheng)会导(dao)致符(fu)号(hao)偏移、频谱再生和(he)(he)信(xin)(xin)道干扰。

图(tu)8：数字通(tong)信系统(tong)框图(tu)

符号(hao)(hao)偏移可引发检测错误。随着(zhe)信号(hao)(hao)功(gong)率(lv)的提升，I和Q分量的幅度(du)也会增加，这将(jiang)导(dao)致符号(hao)(hao)扩散至(zhi)距(ju)离(li)原点更(geng)远(yuan)的位(wei)置。尤其是(shi)远(yuan)离(li)原点的符号(hao)(hao)扩散现象(xiang)更(geng)为轻微(wei)，如图9中(zhong)绿色部分所示(shi)。

对(dui)于采用高阶调制格(ge)式的(de)情(qing)况(kuang)，其(qi)符(fu)号(hao)决策边(bian)界更为(wei)狭窄，如(ru)图9中(zhong)的(de)黑色网格(ge)线所示。因此，符(fu)号(hao)偏移会(hui)轻(qing)微(wei)提高高阶调制格(ge)式下的(de)符(fu)号(hao)错误(wu)率(lv)和(he)误(wu)码率(lv)。这种现象对(dui)通信系统的(de)可靠性和(he)效率(lv)提出了更高的(de)要(yao)求(qiu)。

图9：由于(yu)决策(ce)边界较窄，

较高的(de)调制方案难(nan)以容忍相位(wei)噪声引起(qi)的(de)符号偏(pian)移

相位(wei)噪(zao)声(sheng)分析(xi)仪的(de)灵敏度是指(zhi)其能够(gou)准(zhun)确测量(liang)的(de)较低相位(wei)噪(zao)声(sheng)水平。为了消除仪器自(zi)身噪(zao)声(sheng)对测量(liang)结果的(de)影响(xiang)，工程师(shi)通常采用(yong)交(jiao)叉频谱平均技术(shu)（也称为互相关(guan)）。这种方法虽然能够(gou)轻微提升(sheng)测量(liang)的(de)准(zhun)确性，但同时也会延长测试所需的(de)时间。

相位噪(zao)声分析仪(yi)的(de)(de)整体(ti)性能主要由两个因素决定：初始灵敏度以及通过互相关技术降低本底噪(zao)声的(de)(de)速度。为确保(bao)测量(liang)有效，仪(yi)器的(de)(de)系统噪(zao)声应轻微低于被测器件（DUT）的(de)(de)噪(zao)声水平，通常要求(qiu)具备10 dB以上的(de)(de)裕量(liang)，以保(bao)证测量(liang)结(jie)果的(de)(de)可靠(kao)性与精度。

精确的(de)相(xiang)位(wei)噪(zao)(zao)(zao)声测量(liang)不 要求具备(bei)低(di)噪(zao)(zao)(zao)声的(de)信号源、复杂的(de)测量(liang)配置以及高效的(de)互(hu)相(xiang)关技术，还需具备(bei)在相(xiang)对(dui)相(xiang)位(wei)噪(zao)(zao)(zao)声与残余相(xiang)位(wei)噪(zao)(zao)(zao)声测量(liang)模(mo)式之间(jian)灵活切(qie)换的(de)能力。为了实(shi)现对(dui)器件的(de)片面(mian)表(biao)征，开发人员通常还需要多种(zhong)附加(jia)分析(xi)功能，例如杂散信号搜索(suo)和瞬态行为分析(xi)。

Keysight E505xA SSA-X 架构为相(xiang)位(wei)噪声(sheng)测(ce)量提供了(le)良好的(de)(de)速度与(yu)灵敏(min)度表现。该架构集(ji)成于SSA-X信号源分(fen)(fen)析(xi)(xi)(xi)仪中(zhong)，提供高(gao)(gao)达(da)54 GHz的(de)(de)一体化相(xiang)位(wei)噪声(sheng)测(ce)量解决方(fang)案。这一高(gao)(gao)性(xing)能(neng)测(ce)量平台不 支(zhi)持高(gao)(gao)精度的(de)(de)相(xiang)对(dui)相(xiang)位(wei)噪声(sheng)和残(can)余(yu)相(xiang)位(wei)噪声(sheng)分(fen)(fen)析(xi)(xi)(xi)，还(hai)涵(han)盖多(duo)种应(ying)用功能(neng)，如压控振荡器(qi)（VCO）特性(xing)分(fen)(fen)析(xi)(xi)(xi)、频率瞬态响应(ying)测(ce)试以及频谱分(fen)(fen)析(xi)(xi)(xi)等，如图10所示。其多(duo)功能(neng)性(xing)和宽(kuan)频覆盖使其成为射频与(yu)微波(bo)器(qi)件研(yan)发(fa)的(de)(de)理(li)想(xiang)选(xuan)择。

图 10：信号源分析仪提(ti)供(gong)多种测量来支(zhi)持相位噪(zao)声表征

SSA-X采用IQ解调技术进行(xing)相位噪声测(ce)量(liang)。输入信号(hao)通过内(nei)部功率分(fen)(fen)配(pei)器被分(fen)(fen)成多(duo)路，并下变频至(zhi)中频（IF）。借助具有(you)较低相位噪声的本地振荡器（LO），同一测(ce)量(liang)接(jie)收机可(ke)实现互(hu)相关处理，从而有(you)效提(ti)升测(ce)量(liang)精度。

IQ解调器(qi)支持同(tong)时(shi)测量(liang)相位(wei)(wei)(wei)噪(zao)(zao)声(sheng)(sheng)和幅度(du)噪(zao)(zao)声(sheng)(sheng)（AM噪(zao)(zao)声(sheng)(sheng)），频率偏(pian)移(yi)范围高达30 MHz；当(dang)偏(pian)移(yi)超过30 MHz时(shi)，仪器(qi)将(jiang)测量(liang)相位(wei)(wei)(wei)噪(zao)(zao)声(sheng)(sheng)与AM噪(zao)(zao)声(sheng)(sheng)的总和。传(chuan)统相位(wei)(wei)(wei)噪(zao)(zao)声(sheng)(sheng)测量(liang)通常采用相位(wei)(wei)(wei)检波器(qi)方法(fa)，从原始信(xin)号中减去载波及其(qi)噪(zao)(zao)声(sheng)(sheng)成分(fen)， 提取被测器(qi)件（DUT）产生的噪(zao)(zao)声(sheng)(sheng)。

相(xiang)比之下，SSA-X架构通过先进(jin)的(de)数字(zi)信号处理技术，能(neng)够有效消除源信号和LO噪声(sheng)(sheng)的(de)影响，从而轻微(wei)提(ti)升相(xiang)位噪声(sheng)(sheng)测(ce)量(liang)的(de)速度(du)与(yu)(yu)灵敏度(du)。该方法(fa)不 提(ti)高了测(ce)量(liang)效率，还增(zeng)强了在复杂(za)环境下的(de)稳(wen)定性与(yu)(yu)可靠性，如图11所(suo)示。

图(tu) 11：SSA-X 信号源分析仪(yi)产品系列的相(xiang)对相(xiang)位(wei)噪声灵敏度