频谱分析仪相位噪声测量及优化方法

廖清元

贵州航天电子科技有限公司 贵州省贵阳市 550009 摘要：介绍了相位噪声测量的意义，阐述了各种测量相位噪声的方法并对其优缺点进行分析，通过对频请分析仪参数及设置的优化，闸述了基于频谱分析仪相位噪声现场测量的可行性。 主题词 : 相位噪声，频谱分析仪，优化方法 引言 随着现代电子技术的快速发展，无线电通信、航空航天、多普勒雷达等电子系统及精密仪器仪表等电子设备对频率源信号的频率稳定度，尤其是对其短期频率稳定度的要求越来越严格。相位噪声是信号短期频率稳定度的频域表示，这就意味着若想要获得高品质的频率源信号，就需要将其相位噪声降低到一定的范围内。 实际工程应用中，如果可以精确测量到频率源信号的相位噪声，那么就可以对频率源信号进行相应的处理，减小相位噪声的影向，从而提高频率源信号的精度。因此，相位噪声测量方法的研究具有十分重要的意义，现在越来越受到重视。 1 、 相位噪声的测量方法 1 、 传统测量方法分类及技术指标 目前应用最为广泛的相位噪声测量系统基本可以分为两大类：传统的相位噪声测量系统和改进后的新型相位噪声测量系统。传统的相位噪声测量系统，主要是指采用鉴相法、鉴频法等传统模式的相位噪声测量方法的测量系统。国际市场上应用较为广泛的有 Agilent(HP) 的 E5500,  以及法国 Europtest 公司生产的 P900C 。其中 E5500 可以测量的载波频率范围为 50KHz-26.SGHz, 其频偏分析范围在 1Hz- 10MHz 之间，噪声底部可以达到 -180dBc/Hz 。而 P9000 可以测量的载波频率范围更宽，一般 为 2MHz-140GHz ，其频偏分析范围在 0.01Hz-40MHz 之间，噪声底部可以达到 -178dBc/Hz 。 1.2 、各种测量方法的特点 鉴相器法是将待测信号的相位起伏变成电压起伏，再用频谐仪测量这个电压起伏。被测信号与同频且正交的参考信号进入鉴相器后变成电压起伏，低通滤波器滤除高频信号项，这样就把相位起伏变成电压起伏，再通过低噪声放大器放大，相位噪声测试系统中的频谱分析仪就能够检测出相位噪声。鉴相器法的优点有：能够分析偏离载波较远的相位噪声，能分析调幅噪声和相位噪声，系统灵敏度较高；其缺点是：测量的相位噪声包含鉴相器、参考源、放大器、滤波器等元器件的相位噪声，要求参考源具有很低的相位噪声，测量系统组成复杂，不利于现场测量。 鉴频器法 ( 延迟线测量法 ) 通过鉴相器获得被测信号频率起伏对应的电压，再用频谐谱仪测量这个电压起伏。被测信号被功分器分成两路信号，其中一路信号经过延迟线后产生一定的时延，由此产生固定的频率偏移。调节可调移相器使之与延迟后的信号相位正交。信号经过鉴相器后变成电压起伏，低通滤波器滤除高频信号项，可得电压起伏，这样就把频率起伏变成电压起伏，再通过低噪声放大器放大，频谱仪就可以检测出来了。鉴频器法法的优点是：无需参考源，无需同步，不存在漂移问题，能够抑制调幅噪声；而缺点是：近载频时灵敏度低，高频时损耗大，需要复杂的校准，系统复杂。 2 、直接频谱分析法测量相位噪声

上述两种方法对应相位噪声测量系统由于系统复杂、价格昂贵，主要用于实验室校准。在实际科研生产现场，目前主要应用频谱分析仪对频率源等发射组件进行测量即直接频谱分析仪相位噪声测量方法。

2.1、直接频谱分析法原理及特点

直接频谱分析法是选用频率范围及性能适当的频谱仪，将被测信号加载到频谱仪上，计算可得单边带相位噪声。其计算原理是测出载波电平，记为Pc，然后测量偏离载波的频率为xkHz的功率电平Pm，则相位噪声测量值按下式计算，单位为dBc/Hz@xkHz。

P= Pm- Pc- 10lg (RBW)式中:

Pm-偏离载波xkHz出边带电平值，dBm;

Pc-载波电平值，dBm;

RBW-分辨率带宽， Hz。

目前很多型号频谱分析仪都具有相位噪声分析测量功能，能够自动测出输入信号的相位噪声，无需计算，所以称为直接频谱仪法。相对于鉴相器和鉴频器法，直接频谐分析仪测量相位噪声的优缺点如下。优点有：测试设置简单快捷；频率偏移范围大；可测试载波其他很多特性，特别利于现场测量。缺点：无法测量离载波较近的相位噪声；频谱分析仪的本底噪声要求高。

2.2、直接频谱分析法测相位噪声优化方法

首先频谐分析仪的本底噪声要求是：基准噪声优于待测源(装置)的相位噪声时，测量才是有效的，所以要求频谱分析仪具有尽量低的内部木振相位噪声和本底噪声（灵敏度）。工程实际中，要求频谱分析仪本底噪声优于被校准频率源技术指标10 dB以上。在这个指标目前中高端频谱分析仪都能满足，如频谱分析仪利用前和本底噪扩展可实现优负150dBm平均噪声电平，对于“无法测量离载波较近的相位”的局限，可以通过近端优化的方法得到一 定程度的改善。因此通过上述两种技术手段，降低频谱分析仪的本底噪声，有效克服了频谱分析仪“无法测量离载波较近的相位噪声“的局限，能够利用频谐分析仪对科研生产现场频率源输出信号偏离载波6kHz以上相位噪声进行现场测试。




3、结束语

通过开启频谐分析仪利用前置放大器和本底噪声扩展功能和采用近端优化的方法，可以克服频谱分析仪本底噪声差，测量范围小以及无法测量离载波较近的相位噪声的局限，提高了直接频谱分析仪在频率源(装置)相位噪声测量中的使用范围。

参考文献

[1] 陈光䄔.现代测试技术.成都：电子科技大学出版社，2002.

[2] GJB1707A-2005.相位噪声测量方法[S].北京：国防科学技术委员会，2005.