【相位噪声定义】
频率不稳定性分为长期和短期不稳定性。长期不稳定性(又称漂移)描述了长时间内发生的频率变化。短期(几秒或者更短时间)频率不稳定性则分为两种类型:确定性和随机性。
确定性变化在频域中表现为不同的离散分量(也称为杂散),并且是待测件中周期性现象(例如电源线频率、振动频率或混频产物)的结果。
相位噪声是频域中描述具有连续、非周期性频谱的CW信号相位的随机变化。
【相位噪声测量】
绝对相位噪声
测量振荡器或合成器- 对整个信号链路生成的信号进行的单端口测量(例如,由放大器、乘法器、混频器等整个RF链路组成的信号发生器)
残余相位噪声
这是器件对信号施加的加性相位噪声- 它可以是合成器添加到本地参考振荡器的附加噪声,也可以是由乘法器、除法器、混频器、上/下变频器或放大器添加的相位噪声。
【相位噪声的参数/单位】
相位噪声测量涉及3 个重要参数:载波频率、载波频率偏置,以及相对于载波功率的功率谱密度。
dBm, dBc, dBc/Hz, 热噪声
dBc是信号功率相对于载波信号功率的度量。用于离散 CW 信号而非噪声功率
dBc/Hz与 dBc 类似,只是归一化为1Hz测量带宽,因此称为功率谱密度(PSD),用于测量噪声功率。
dBm用于讨论相对于1mW 基准的绝对功率电平。该功率是绝对值,而非载波功率的相对值。
dBm/Hz是1Hz带宽内测量的相对于1mW基准的功率谱密度。该功率是绝对功率,而非载波功率的相对值。该测量单位对应 kT热噪底。
热噪底
所有电子元件都会因其电荷载流子的动能而表现出热噪声(又称 kT 或 Johnson-Nyquist噪声)。在连续波的情况下,这会成为具有相等功率 AM 和 PM噪声分量的调制噪声:-177 dBm/Hz(物理极限或“噪底”)。其总和就是熟知的290K时的-174 dBm/Hz。
【相位噪声测量方法】
直接频谱法
这种测量方法是测量相位噪声的经典方法:直接测量 CW 信号的频谱及其噪声边带功率。通常这种方法无法将 AM 噪声与 PM 噪声分开。现代相位噪声分析仪、信号分析仪、示波器和网络分析仪通过数字化和解调,将信号转换为幅度和相位,从而允许在仪器的数字化带宽内进行 AM/PM 分离。多通道仪器能够进行互相关。
interwetten与威廉的赔率体系 鉴相器法
该方法使用双平衡混频器作为鉴相器来抑制载波并测量 RF 和 LO 端口之间的相位差。去除载波提高了 ADC 满量程或接收机前置放大器压缩水平的上限,因此,通过使用低噪声系数的基带LNA来放大检测到的相位噪声以优化系统灵敏度。与直接频谱方法相比,这可以大大提高初始灵敏度,但取决于参考源( LO) 相位噪声性能。多通道仪器适合进行互相关操作。
互相关法
这并不是一种独特的测量方法,而是一种可以使用上述两种测量方法之一的威廉希尔官方网站 。DUT 信号被分离并发送到两个独立的硬件通道,并在多次采集中计算交叉频谱、取平均值。两个通道(来自 DUT)相关或共有的噪声将被保留,不相关的噪声(由测量系统产生)将被去除。互相关相位噪声分析仪的终极理论灵敏度是 kT 热噪底- 代价是计算潜在的数十亿次采集数据所需的时间。
【相位噪声分析仪的关键指标】
初始测量系统灵敏度
对于非互相关相位噪声分析仪,灵敏度表示可以测量的最大动态范围(最小相位噪声)。对于互相关分析仪,这是初始灵敏度(下面的灰色阴影区域),它将随着相关增益而提高。
相关因子:1
时间:秒*1
相关增益
相关次数每增加10倍,相关增益在整个偏置范围内的初始灵敏度就会提高5dB,直到达到 kT 热相噪本底。
相关因子:10
时间:秒*10
达到初始灵敏度的测量时间
所有互相关相位噪声分析仪的相关增益处理方式相同。由于时间和相关次数成正比,因此达到初始灵敏度(通常是在最近端偏置处的初次相关)所需的时间将决定总测量时间,并允许在相位噪声分析仪之间进行同类比较。
频率范围和偏置频率
相位噪声分析仪的频率范围决定了可测量的 DUT 的中心频率。现代相位噪声分析仪可以从直流(基带)到毫米波频率进行测量。
使用相位噪声分析仪可以测量近端(小频偏)相噪,这对于设计恒温晶振、确定OFDM信号相位噪声对 EVM 的贡献以及设计雷达系统尤其重要。
使用相位噪声分析仪测量远端(大频偏)相噪,对于确定相位噪声对宽带单载波和多载波应用的EVM的影响以及分析超宽带的高频时钟的相位噪声(抖动)非常重要。
输入功率范围
输入功率定义了测量的有效动态范围,因为相位噪声始终是噪声到载波的测量(相对于载波功率),以 dBc/Hz 为单位。
【相位噪声测量的主要应用场景】
数字通信
随着通信系统变得越来越复杂,带宽变得越来越宽,相位噪声对系统性能的影响也越来越明显。对于宽带高阶调制格式,远端相位噪声通常是 EVM 的主要贡献者。
雷达系统
雷达系统需要出色的相位噪声性能,尤其是在近端频偏处。多普勒雷达的工作原理是测量由于目标移动而导致频移的回波信号。雷达本振的相位噪声最终会出现在目标回波信号和来自静止物体(例如大地)的非目标杂波反射信号上。杂波信号上的此类相位噪声可以部分或完全屏蔽目标信号,具体取决于目标信号的电平和与载波的频率间隔。
OFDM正交频分复用
在现代通信系统中,某些 OFDM 信号使得子载波频率间隔非常紧密。这些载波会将其相位噪声延展到相邻载波上。在这种情况下,近端相位噪声对系统性能的影响至关重要。载波跟踪可以帮助缓解这种情况。
【Keysight 相位噪声测试解决方案】
E505xA SSA-X 信号源分析仪
提供信号源分析所需的全面功能
•绝对/AM/基带/脉冲/瞬态分析
•输入频率:1MHz - 54GHz(可扩展至毫米波频段)
•频率偏置:1mHz - >1GHz
•为VCO测试提供DC控制和电源
•互相关法
•直接频谱法
N5511A PNTS相噪测试系统
强大、快速且灵活的相位噪声测试解决方案
• 绝对/残余/AM/基带/脉冲
• 输入频率:50kHz – 40GHz
• 频率偏置:0.01Hz – 160MHz
• 互相关
• 模拟鉴相器
• 可扩展至毫米波频率
信号分析仪
方便、高效的相位噪声分析工具
• 绝对/AM/脉冲
• 输入频率:取决于信号分析仪频率
• 频率偏置:取决于信号分析仪
• 直接频谱法
网络分析仪
配合S9303xxB 相噪测试软件
•绝对/残余/AM/基带/瞬态/脉冲
•输入频率:10MHz – 70GHz/125GHz
•频率偏置:100mHz - 10 MHz
•直接频谱法
MXR/UXR示波器
提供相位噪声、抖动分析功能
• 绝对/AM/基带
• 输入/偏置频率组合高达仪器的完整带宽
• 互相关
• AM/PM分离
• 直接频谱法
审核编辑:刘清
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原文标题:解析相位噪声测试
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