相位噪聲測量是評估本振、混頻器及放大器等射頻組件短期頻率穩(wěn)定性的重要手段。對于致力于雷達和數(shù)字通信系統(tǒng)的工程師而言，能夠快速且準確地進行相位噪聲的測量，是推動產(chǎn)品開發(fā)進程的關(guān)鍵。這樣的測量能力不 有助于提高工作效率，還能確保產(chǎn)品的性能達到良好。

相位噪聲反映了振蕩源在特定時間段內(nèi)維持相同頻率穩(wěn)定性的能力。針對短期頻率穩(wěn)定性，工程師們測量的是信號頻率在秒級時間范圍內(nèi)發(fā)生的波動。這樣的測量對于評估和提升通信系統(tǒng)及雷達設(shè)備的性能至關(guān)重要。

圖 1 中的振蕩器產(chǎn)生理想的正常弦波，不包含相位噪聲。

圖 1：理想振蕩器在頻域中顯示

現(xiàn)實中，振蕩器的相位噪聲會將信號功率擴展到相鄰頻率，如圖 2 中的紅線所示。

圖 2：振蕩器的信號能量隨噪聲邊帶而擴散

這些由熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲引起的噪聲能量邊帶基于載波對稱。

單邊帶 (SSB) 相位噪聲 L(f) 是指載波特定偏移頻率處的功率密度與載波信號總功率的比率，如圖 3 所示。

圖 3：相位噪聲測量

相位噪聲測量通常基于相對于載波的偏移頻率 fm 進行評估。鑒于噪聲能量邊帶在載波兩側(cè)對稱分布， 需在單邊帶中進行測量即可獲取相位噪聲特性。在1 Hz的測量帶寬下，所測得的噪聲能量功率譜密度結(jié)果以dBc/Hz為單位表示。這種測量方法能夠有效地評估信號的純凈度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

相對相位噪聲是指由單端口器件（如振蕩器）自身產(chǎn)生的相位噪聲，如圖4所示。它是衡量信號發(fā)生器性能的一項關(guān)鍵指標，尤其對于諸如Keysight VXG等高性能信號源而言，低相對相位噪聲是實現(xiàn)高質(zhì)量信號輸出的重要保證。

圖 4：SSA-X 信號源分析儀上的相對相位噪聲測量設(shè)置

殘余相位噪聲（亦稱加性噪聲）是指多端口器件（如放大器）在工作過程中引入到信號中的額外噪聲，如圖5所示。為了準確評估這類設(shè)備對信號噪聲的貢獻，殘余相位噪聲測量需排除輸入信號源本身噪聲的影響，從而 反映被測器件所產(chǎn)生的噪聲成分。這種測量方法對于深入理解系統(tǒng)各部分噪聲特性具有重要意義。

圖 5：SSA-X 信號源分析儀上的殘余相位噪聲測量設(shè)置

雷達檢測回波的頻移以確定目標的運動速度。圖 6 顯示了雷達系統(tǒng)框圖。

圖 6：雷達系統(tǒng)框圖

如圖7所示，發(fā)射信號上的相位噪聲會掩蓋目標的多普勒回波信號。相比于靜止物體產(chǎn)生的較強雜波，移動目標的回波信號幅度通常非常微弱。雖然濾波技術(shù)可以有效抑制雜波干擾，但它無法消除隨機噪聲的影響，可能導(dǎo)致目標信號被遺漏，從而降低檢測的準確性與可靠性。

圖 7：多普勒信號被雜波所屏蔽

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)字發(fā)射機和接收機中的相位噪聲會導(dǎo)致誤碼率 (BER) 增加。圖8顯示了數(shù)字通信系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)中的相位噪聲會導(dǎo)致符號偏移、頻譜再生和信道干擾。

圖8：數(shù)字通信系統(tǒng)框圖

符號偏移可引發(fā)檢測錯誤。隨著信號功率的提升，I和Q分量的幅度也會增加，這將導(dǎo)致符號擴散至距離原點更遠的位置。尤其是遠離原點的符號擴散現(xiàn)象更為輕微，如圖9中綠色部分所示。

對于采用高階調(diào)制格式的情況，其符號決策邊界更為狹窄，如圖9中的黑色網(wǎng)格線所示。因此，符號偏移會輕微提高高階調(diào)制格式下的符號錯誤率和誤碼率。這種現(xiàn)象對通信系統(tǒng)的可靠性和效率提出了更高的要求。

圖9：由于決策邊界較窄，

較高的調(diào)制方案難以容忍相位噪聲引起的符號偏移

相位噪聲分析儀的靈敏度是指其能夠準確測量的較低相位噪聲水平。為了消除儀器自身噪聲對測量結(jié)果的影響，工程師通常采用交叉頻譜平均技術(shù)（也稱為互相關(guān)）。這種方法雖然能夠輕微提升測量的準確性，但同時也會延長測試所需的時間。

相位噪聲分析儀的整體性能主要由兩個因素決定：初始靈敏度以及通過互相關(guān)技術(shù)降低本底噪聲的速度。為確保測量有效，儀器的系統(tǒng)噪聲應(yīng)輕微低于被測器件（DUT）的噪聲水平，通常要求具備10 dB以上的裕量，以保證測量結(jié)果的可靠性與精度。

精確的相位噪聲測量不 要求具備低噪聲的信號源、復(fù)雜的測量配置以及高效的互相關(guān)技術(shù)，還需具備在相對相位噪聲與殘余相位噪聲測量模式之間靈活切換的能力。為了實現(xiàn)對器件的片面表征，開發(fā)人員通常還需要多種附加分析功能，例如雜散信號搜索和瞬態(tài)行為分析。

Keysight E505xA SSA-X 架構(gòu)為相位噪聲測量提供了良好的速度與靈敏度表現(xiàn)。該架構(gòu)集成于SSA-X信號源分析儀中，提供高達54 GHz的一體化相位噪聲測量解決方案。這一高性能測量平臺不 支持高精度的相對相位噪聲和殘余相位噪聲分析，還涵蓋多種應(yīng)用功能，如壓控振蕩器（VCO）特性分析、頻率瞬態(tài)響應(yīng)測試以及頻譜分析等，如圖10所示。其多功能性和寬頻覆蓋使其成為射頻與微波器件研發(fā)的理想選擇。

圖 10：信號源分析儀提供多種測量來支持相位噪聲表征

SSA-X采用IQ解調(diào)技術(shù)進行相位噪聲測量。輸入信號通過內(nèi)部功率分配器被分成多路，并下變頻至中頻（IF）。借助具有較低相位噪聲的本地振蕩器（LO），同一測量接收機可實現(xiàn)互相關(guān)處理，從而有效提升測量精度。

IQ解調(diào)器支持同時測量相位噪聲和幅度噪聲（AM噪聲），頻率偏移范圍高達30 MHz；當偏移超過30 MHz時，儀器將測量相位噪聲與AM噪聲的總和。傳統(tǒng)相位噪聲測量通常采用相位檢波器方法，從原始信號中減去載波及其噪聲成分， 提取被測器件（DUT）產(chǎn)生的噪聲。

相比之下，SSA-X架構(gòu)通過先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，能夠有效消除源信號和LO噪聲的影響，從而輕微提升相位噪聲測量的速度與靈敏度。該方法不 提高了測量效率，還增強了在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性，如圖11所示。

圖 11：SSA-X 信號源分析儀產(chǎn)品系列的相對相位噪聲靈敏度