1
、引言

 

隨sui著zhe電dian子zi技ji術shu的de發fa展zhan，器qi件jian的de噪zao聲sheng係xi數shu越yue來lai越yue低di
，放fang大da器qi的de動dong態tai範fan圍wei也ye越yue來lai越yue大da，增zeng益yi也ye大da有you提ti高gao，使shi得de電dian路lu係xi統tong的de靈ling敏min度du和he選xuan擇ze性xing以yi及ji線xian性xing度du等deng主zhu要yao技ji術shu指zhi標biao都dou得de到dao較jiao好hao的de解jie決jue。同tong時shi
，隨sui著zhe技ji術shu的de不bu斷duan提ti高gao，對dui電dian路lu係xi統tong又you提ti出chu了le更geng高gao的de要yao求qiu
，這zhe就jiu要yao求qiu電dian路lu係xi統tong必bi須xu具ju有you較jiao低di的de相xiang位wei噪zao聲sheng
，在zai現xian代dai技ji術shu中zhong，相xiang位wei噪zao聲sheng已yi成cheng為wei限xian製zhi電dian路lu係xi統tong的de主zhu要yao因yin素su。低di相xiang位wei噪zao聲sheng對dui於yu提ti高gao電dian路lu係xi統tong性xing能neng起qi到dao重zhong要yao作zuo用yong。

 

相xiang位wei噪zao聲sheng好hao壞huai對dui通tong訊xun係xi統tong有you很hen大da影ying響xiang，尤you其qi現xian代dai通tong訊xun係xi統tong中zhong狀zhuang態tai很hen多duo，頻pin道dao又you很hen密mi集ji，並bing且qie不bu斷duan的de變bian換huan
，所suo以yi對dui相xiang位wei噪zao聲sheng的de要yao求qiu也ye愈yu來lai愈yu高gao。如ru果guo本ben振zhen信xin號hao的de相xiang位wei噪zao聲sheng較jiao差cha，會hui增zeng加jia通tong信xin中zhong的de誤wu碼ma率lv，影ying響xiang載zai頻pin跟gen蹤zong精jing度du。相xiang位wei噪zao聲sheng不bu好hao，不bu僅jin增zeng加jia誤wu碼ma率lv

、影響載頻跟蹤精度
，還影響通信接收機信道內、外(wai)性(xing)能(neng)測(ce)量(liang)
，相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)對(dui)鄰(lin)近(jin)頻(pin)道(dao)選(xuan)擇(ze)性(xing)有(you)影(ying)響(xiang)。如(ru)果(guo)要(yao)求(qiu)接(jie)收(shou)機(ji)選(xuan)擇(ze)性(xing)越(yue)高(gao)，則(ze)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)就(jiu)必(bi)須(xu)更(geng)好(hao)，要(yao)求(qiu)接(jie)收(shou)機(ji)靈(ling)敏(min)度(du)越(yue)高(gao)
，相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)也(ye)必(bi)須(xu)更(geng)好(hao)。

 

總zong之zhi，對dui於yu現xian代dai通tong信xin的de各ge種zhong接jie收shou機ji，相xiang位wei噪zao聲sheng指zhi標biao尤you為wei重zhong要yao，對dui於yu該gai指zhi標biao的de精jing準zhun測ce試shi要yao求qiu也ye越yue來lai越yue高gao，相xiang應ying的de技ji術shu手shou段duan要yao求qiu也ye越yue來lai越yue高gao。

 

2、相位噪聲基礎

 

2.1
、什麼是相位噪聲

 

相位噪聲是振蕩器在短時間內頻率穩定度的度量參數。它來源於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麵：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。該定義最早是基於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。 該定義基於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，然後測量某一頻偏處噪聲功率，最後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(gai)方(fang)法(fa)還(hai)是(shi)基(ji)於(yu)頻(pin)譜(pu)儀(yi)測(ce)試(shi)載(zai)波(bo)功(gong)率(lv)和(he)噪(zao)聲(sheng)功(gong)率(lv)

，但(dan)是(shi)可(ke)以(yi)自(zi)動(dong)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)
，並(bing)顯(xian)示(shi)出(chu)完(wan)整(zheng)的(de)測(ce)試(shi)曲(qu)線(xian)，頻(pin)偏(pian)範(fan)圍(wei)可(ke)以(yi)自(zi)由(you)設(she)定(ding)
，操(cao)作(zuo)簡(jian)便(bian)快(kuai)捷(jie)，精(jing)準(zhun)度(du)比(bi)頻(pin)譜(pu)儀(yi)直(zhi)接(jie)測(ce)試(shi)法(fa)要(yao)高(gao)，測(ce)試(shi)速(su)度(du)要(yao)快(kuai)。

 

 

總zong之zhi，頻pin譜pu儀yi法fa測ce試shi相xiang位wei噪zao聲sheng均jun基ji於yu頻pin譜pu測ce試shi的de結jie果guo進jin行xing相xiang位wei噪zao聲sheng的de計ji算suan，該gai測ce試shi法fa無wu法fa區qu分fen調tiao幅fu噪zao聲sheng和he相xiang位wei噪zao聲sheng，靈ling敏min度du受shou儀yi器qi固gu有you的de相xiang位wei噪zao聲sheng限xian製zhi，無wu載zai波bo抑yi製zhi，測ce量liang範fan圍wei受shou分fen辨bian率lv濾lv波bo器qi形xing狀zhuang因yin子zi限xian製zhi，動dong態tai範fan圍wei有you限xian等deng缺que點dian;但是，該方法測試設置簡單、快捷，頻率偏移範圍大
，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;並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後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
，並假定ƒL= ƒR 
，得到：

 

 

對於小的相差
， 簡化得到：

 

 

3.2.2
、延遲線測試法

 

延(yan)遲(chi)線(xian)法(fa)是(shi)把(ba)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)分(fen)成(cheng)兩(liang)路(lu)，一(yi)路(lu)信(xin)號(hao)經(jing)過(guo)延(yan)遲(chi)線(xian)後(hou)與(yu)另(ling)一(yi)路(lu)經(jing)過(guo)一(yi)個(ge)移(yi)相(xiang)器(qi)移(yi)相(xiang)後(hou)的(de)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)鑒(jian)相(xiang)

，然(ran)後(hou)再(zai)濾(lv)波(bo)放(fang)大(da)分(fen)析(xi)。延(yan)遲(chi)線(xian)的(de)作(zuo)用(yong)是(shi)將(jiang)頻(pin)率(lv)的(de)變(bian)化(hua)轉(zhuan)化(hua)為(wei)相(xiang)位(wei)的(de)變(bian)化(hua)，當(dang)頻(pin)率(lv)變(bian)化(hua)時(shi)，將(jiang)在(zai)延(yan)遲(chi)線(xian)中(zhong)引(yin)起(qi)相(xiang)位(wei)正(zheng)比(bi)例(li)的(de)變(bian)化(hua)。雙(shuang)平(ping)衡(heng)混(hun)頻(pin)器(qi)將(jiang)相(xiang)位(wei)變(bian)化(hua)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)。

 

 

該測試方法具有載波抑製、調tiao幅fu噪zao聲sheng測ce試shi功gong能neng，測ce試shi時shi不bu需xu要yao額e外wai的de參can考kao源yuan，不bu需xu要yao信xin號hao同tong步bu，頻pin率lv漂piao移yi不bu再zai是shi問wen題ti。但dan是shi該gai測ce試shi方fang法fa高gao頻pin時shi損sun耗hao較jiao大da，使shi得de測ce試shi靈ling敏min度du較jiao低di，而er且qie測ce試shi時shi需xu要yao校xiao準zhun，操cao作zuo較jiao為wei複fu雜za。

 

3.2.3、鎖相環測試法

 

由於振蕩器的相位跳動
，90度的相位偏移並不能時刻穩定。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。

 

 

youyusuoxianghuanludeyinruhuiduixiangweizaoshengceliangdailaiyingxiang，zaihuanludaikuannei
，zhendangqidexiangweizaoshengjianghuibeigaishan，yincizaiceliangguochengzhongxuyaoduihuanludaikuanneidexiangweizaoshengjinxingxiuzheng。tongguosuoxianghuandehuanludaikuantexing，keyijisuanchuhuanluzengyi，congerkeyiduiceliangjieguojinxingxiuzheng。

 

鑒相器法測試相位噪聲具有很多優點。

 

其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)優(you)點(dian)是(shi)鑒(jian)相(xiang)後(hou)信(xin)號(hao)的(de)載(zai)波(bo)被(bei)抑(yi)製(zhi)
，接(jie)收(shou)機(ji)的(de)中(zhong)頻(pin)增(zeng)益(yi)與(yu)載(zai)波(bo)電(dian)平(ping)無(wu)關(guan)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)大(da)大(da)提(ti)高(gao)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)的(de)測(ce)試(shi)靈(ling)敏(min)度(du)。另(ling)外(wai)
，可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)低(di)噪(zao)聲(sheng)放(fang)大(da)器(qi)對(dui)鑒(jian)相(xiang)後(hou)的(de)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)放(fang)大(da)
，從(cong)而(er)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)測(ce)量(liang)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)噪(zao)聲(sheng)係(xi)數(shu)，從(cong)而(er)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)其(qi)測(ce)試(shi)靈(ling)敏(min)度(du)。

 

同時
，對於信號中同時存在的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°，則鑒相後輸出對AM噪聲的抑製可以高達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製，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
，對於該測試方法也有相應的局限性，該方法設置相對複雜，測量前有時需要做測試校準和PLL參數計算;xiangduipinpuyifangfalaishuo，jianxiangqifadeceliangpinpianfanweijiaozhai。tongshi，youyuxinhaoyuantexingchulexiangweizaoshengzhibiaowai，haixuyaoceliangruxiebotexing，zasantexing，linxindaoyizhibidengzhibiao，ergaifangfazewufawanchengzhexieceliang，haixuyaoyongpinpuyigongnenglaishixian。

 

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
，脈衝相位噪聲，附加相位噪聲，脈衝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。並且可以在大信號存在時測量小電平信號的相位噪聲。

 

 

4、脈衝信號相位噪聲測試原理和方法

 

脈衝調製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，測試脈衝調製信號的相位噪聲就需要針對不同脈衝調製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，測試脈衝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相當複雜，實現起來很困難，操作也比較複雜。

 

 

4.2、數字相位解調法

 

數字相位解調法得益於強大的數字處理能力，測試脈衝調製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衝調製。PRF濾波器和脈寬加時間門在DSP中實現，易於處理不同PRF，無需複雜的校準

，也可實現脈衝附加相噪的測量。

 

 

使shi用yong數shu字zi相xiang位wei解jie調tiao法fa測ce量liang脈mai衝chong信xin號hao的de相xiang位wei噪zao聲sheng首shou先xian采cai用yong零ling掃sao寬kuan自zi動dong檢jian測ce脈mai寬kuan和he周zhou期qi
，檢jian測ce到dao脈mai衝chong信xin號hao之zhi後hou可ke以yi自zi動dong的de根gen據ju脈mai寬kuan設she置zhi時shi間jian門men長chang度du，根gen據ju周zhou期qi設she置zhi最zui大da頻pin偏pian
，然ran後hou進jin行xing測ce試shi。最zui大da可ke測ce量liang頻pin偏pian為weiPRF/2，並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(殘餘)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(zhi)接(jie)使(shi)用(yong)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)或(huo)者(zhe)具(ju)有(you)鑒(jian)相(xiang)器(qi)法(fa)測(ce)試(shi)功(gong)能(neng)的(de)信(xin)號(hao)源(yuan)分(fen)析(xi)儀(yi)測(ce)試(shi)附(fu)加(jia)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)時(shi)
，一(yi)般(ban)都(dou)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)外(wai)部(bu)信(xin)號(hao)源(yuan)和(he)移(yi)相(xiang)器(qi)，信(xin)號(hao)源(yuan)和(he)移(yi)相(xiang)器(qi)指(zhi)標(biao)的(de)好(hao)壞(huai)會(hui)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)，並(bing)且(qie)實(shi)際(ji)操(cao)作(zuo)非(fei)常(chang)複(fu)雜(za)(需要精準的調節移相器的相位)，由於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，需要進行複雜的校準。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，並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測試對於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，並測試VCO的所有參數。

 

 

5.4、瞬態測試

 

jiyumuqiandexiangweizaoshengfenxiyikeyijinxingshuntaiceshi，shuntaiceshizhuyaoyingyongyutiaopinxinhaodeceshi
，youqishikuandaitiaopinxinhaodetiaopinshijianceshi。shuntaiceshiyibankeyifenweizhaidaimoshihekuandaimoshi，muqiankuandaitiaopinxinhaodefenxigongnengkeyishixian256MHz-8GHz頻段範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衝信號的相位噪聲指標，亦或是測試AMzaoshengdengxiangguanceshi
，celiangjieguodouhuishoudaocankaoyuanhejianxiangqibenshenxiangweizaoshengdeyingxiang。weilejinyibutigaoceshilingmindu
，jiangdicankaoyuanhejianxiangqideyingxiang，keyizaijianxiangqifahuoshuzixiangweijietiaofadejichuzhishangcaiyonghuxiangguanjishu。qifangfadehexinweihuxiangguandianluyijihuxiangguansuanfa。beicexinhaobeifenchenglianglu，yiluxinhaoyuyicankaoxinhaoyuanjinxingjianxianghuoshuzijietiao，erlingyiluxinhaozeyulingyicankaoyuanjinxingjianxianghuoshuzijietiao
，lianglushuchuxinhaofenbiejinxinglvbo、放大和ADC采樣，然後進行互相關運算。互相關技術對測量靈敏度的提高程度取決於互相關運算次數。通過對10000次測量結果求和，參考振蕩器和測試係統的噪聲測試性能可提高20 dB。
 

但(dan)是(shi)，隨(sui)著(zhe)互(hu)相(xiang)關(guan)次(ci)數(shu)的(de)增(zeng)多(duo)，測(ce)試(shi)的(de)時(shi)間(jian)會(hui)有(you)所(suo)加(jia)長(chang)
，尤(you)其(qi)是(shi)載(zai)波(bo)近(jin)端(duan)的(de)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)測(ce)試(shi)
，多(duo)次(ci)互(hu)相(xiang)關(guan)將(jiang)需(xu)要(yao)很(hen)長(chang)的(de)測(ce)試(shi)時(shi)間(jian)。尤(you)其(qi)是(shi)鑒(jian)相(xiang)器(qi)法(fa)采(cai)用(yong)互(hu)相(xiang)關(guan)算(suan)法(fa)時(shi)會(hui)帶(dai)來(lai)較(jiao)長(chang)的(de)測(ce)試(shi)時(shi)間(jian)，而(er)數(shu)字(zi)相(xiang)位(wei)解(jie)調(tiao)法(fa)基(ji)於(yu)強(qiang)大(da)的(de)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)能(neng)力(li)
，與(yu)鑒(jian)相(xiang)器(qi)法(fa)采(cai)用(yong)互(hu)相(xiang)關(guan)算(suan)法(fa)相(xiang)比(bi)較(jiao)，測(ce)試(shi)速(su)度(du)會(hui)有(you)較(jiao)大(da)的(de)提(ti)高(gao)，大(da)大(da)提(ti)高(gao)測(ce)試(shi)的(de)效(xiao)率(lv)。

 

 

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tiao試shi必bi須xu進jin行xing測ce試shi的de一yi項xiang指zhi標biao，測ce試shi準zhun確que度du要yao求qiu較jiao高gao
，需xu要yao考kao慮lv的de因yin素su較jiao多duo。最zui新xin的de數shu字zi相xiang位wei解jie調tiao法fa不bu需xu要yao鎖suo相xiang環huan，無wu需xu環huan路lu帶dai寬kuan內nei的de噪zao聲sheng抑yi製zhi補bu償chang
，相xiang同tong靈ling敏min度du下xia
，極ji大da提ti高gao測ce試shi效xiao率lv。數shu字zi相xiang位wei解jie調tiao法fa非fei常chang易yi於yu實shi現xian脈mai衝chong相xiang位wei噪zao聲sheng，附fu加jia相xiang位wei噪zao聲sheng，脈mai衝chong附fu加jia相xiang位wei噪zao聲sheng測ce試shi，VCO測(ce)試(shi)及(ji)瞬(shun)態(tai)測(ce)試(shi)等(deng)多(duo)項(xiang)測(ce)試(shi)要(yao)求(qiu)
，可(ke)以(yi)極(ji)大(da)的(de)滿(man)足(zu)多(duo)方(fang)麵(mian)測(ce)試(shi)要(yao)求(qiu)。並(bing)且(qie)可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)多(duo)種(zhong)測(ce)試(shi)需(xu)求(qiu)的(de)並(bing)行(xing)測(ce)量(liang)。同(tong)時(shi)數(shu)字(zi)相(xiang)位(wei)解(jie)調(tiao)法(fa)測(ce)試(shi)比(bi)較(jiao)簡(jian)單(dan)，無(wu)需(xu)複(fu)雜(za)的(de)操(cao)作(zuo)設(she)置(zhi)，測(ce)試(shi)速(su)度(du)快(kuai)。尤(you)其(qi)是(shi)數(shu)字(zi)相(xiang)位(wei)解(jie)調(tiao)法(fa)基(ji)礎(chu)之(zhi)上(shang)增(zeng)加(jia)互(hu)相(xiang)關(guan)算(suan)法(fa)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)，使(shi)得(de)測(ce)試(shi)靈(ling)敏(min)度(du)極(ji)高(gao)

，是(shi)目(mu)前(qian)進(jin)行(xing)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)測(ce)試(shi)以(yi)及(ji)其(qi)他(ta)相(xiang)關(guan)測(ce)試(shi)最(zui)優(you)異(yi)的(de)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)和(he)手(shou)段(duan)。

 

 

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