相位噪聲測(cè)試解決方案

蔡昊迪，王晴強(qiáng)

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所,江蘇　蘇州　215011）

?

相位噪聲測(cè)試解決方案

蔡昊迪，王晴強(qiáng)

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所,江蘇蘇州215011）

摘要：闡述了相位噪聲的有關(guān)定義,介紹了用頻譜分析儀測(cè)量信號(hào)相位噪聲的原理及方法,并提出了用頻譜分析儀加載相關(guān)應(yīng)用軟件,以軟硬件相結(jié)合的方式快速地測(cè)量相位噪聲的方法,對(duì)于節(jié)省相位噪聲的測(cè)量時(shí)間、提高工作效率具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：相位噪聲；頻譜分析儀；測(cè)量原理；測(cè)量軟件

0　引言

相位噪聲是衡量頻率標(biāo)準(zhǔn)源頻穩(wěn)質(zhì)量的重要指標(biāo),目前,很多的電子系統(tǒng)和儀器設(shè)備都需要進(jìn)行相位噪聲的測(cè)試。然而,隨著頻率標(biāo)準(zhǔn)源性能的不斷改善,相應(yīng)噪聲量值變得越來(lái)越小,因而對(duì)相位噪聲的測(cè)量的要求也變得越來(lái)越高。在實(shí)際工作中對(duì)如何利用已有的測(cè)試設(shè)備、如何選用合適的測(cè)量方法對(duì)頻率參量進(jìn)行準(zhǔn)確而有效的測(cè)量是很多工程師需要探討的課題。傳統(tǒng)的零拍測(cè)量法已面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn),因而本文在論述利用頻譜分析儀測(cè)量相位噪聲的原理的基礎(chǔ)上,提出了直接用頻譜分析儀測(cè)量相位噪聲的解決方案。

1　相位噪聲的定義

相位噪聲是指在系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲的作用下引起的輸出信號(hào)相位的隨機(jī)起伏,是對(duì)信號(hào)時(shí)間變化的一種測(cè)量方式,其結(jié)果在頻率域內(nèi)顯示。如果用一個(gè)振蕩器信號(hào)來(lái)描述相位噪聲,當(dāng)沒(méi)有相位噪聲時(shí),振蕩器的整個(gè)功率都應(yīng)集中在中心頻率f0處；但相位噪聲的出現(xiàn)將振蕩器的一部分功率轉(zhuǎn)移到附近的頻率中去,產(chǎn)生了邊帶。在離中心頻率一定距離的偏移頻率處,邊帶功率降到1/fm, fm是該頻率偏離中心頻率的差值[3],如圖1所示。

相位噪聲通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值,其中, dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。一個(gè)振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1 Hz帶寬內(nèi)的信號(hào)功率與信號(hào)的總功率的比值。

圖1　相位噪聲示意圖

2　頻譜分析儀的測(cè)量原理

頻譜儀是以頻域方式對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行分析的儀器,其實(shí)質(zhì)為一連續(xù)選頻式電壓表或掃頻測(cè)試接收機(jī),主要用來(lái)觀察各種調(diào)制信號(hào)的波形、功率、線性、調(diào)制度和信號(hào)源的諧波失真,以及相位噪聲的測(cè)試等。相位噪聲是對(duì)頻率綜合器或者是信號(hào)源的頻率穩(wěn)定度的一種度量,是衡量頻率源穩(wěn)定度的重要參數(shù)。在頻譜分析儀上,信號(hào)的所有不穩(wěn)定度總和（即相位噪聲和幅度噪聲的總和）表現(xiàn)為載波兩側(cè)的噪聲邊帶,通常當(dāng)已知幅度噪聲遠(yuǎn)小于相位噪聲時(shí)（小于10 dB）,在頻譜儀上讀出的邊帶噪聲即為相位噪聲。

3　相位噪聲的測(cè)量

3.1頻譜分析儀對(duì)信號(hào)相位噪聲的基本測(cè)量法

利用頻譜分析儀對(duì)信號(hào)發(fā)生器的相位噪聲進(jìn)行定量的測(cè)量時(shí),一般應(yīng)考慮載波附近10 Hz、100 Hz、1 KHz、10 KHz、100 KHz、1 MHz的邊帶噪聲,其條件是這些邊帶噪聲比被測(cè)信號(hào)發(fā)生器的邊帶噪聲小[2]。儀器連接方式如圖2所示,具體步驟如下所述。

圖2　儀器連接示意圖

a）按圖2所示的結(jié)構(gòu)連接好信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀。

b）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出為載波輸出,設(shè)定所需測(cè)量頻率點(diǎn),調(diào)節(jié)功率值。

c）調(diào)節(jié)頻譜分析儀的中心頻率為載波頻率,并設(shè)置好掃頻寬度、分辨率帶寬、視頻帶寬、掃描時(shí)間、垂直刻度和參考電平,使被檢信號(hào)發(fā)生器的主頻譜信號(hào)幅度可方便讀數(shù)。

d）測(cè)量載頻功率Lc,偏離載頻幅度100 Hz～1 MHz處的功率L,相位噪聲功率的計(jì)算公式如下所示。

3.2頻譜分析儀加裝選件對(duì)信號(hào)相位噪聲的測(cè)量法

利用頻譜分析儀加裝選件對(duì)信號(hào)的相位噪聲進(jìn)行測(cè)量的具體步驟如下所述。

a）按“MODE”鍵,選擇“Phase Noise”測(cè)量模式。

b）按“MEASURE”鍵,選擇“Log Plot”。

c）按“SWEEP”鍵,將SWEEP模式設(shè)為“Signal”。

d）按“Marker”鍵,將“Marker Table”設(shè)為“On”狀態(tài)。

e）按“Meas Setup”,將“Smoothing”設(shè)定在0.00％～16％之間。

f）按“Meas Setup”,將“Avg Number”設(shè)為10并設(shè)置為“On”狀態(tài)。

g）按“Span”鍵,設(shè)定“Start Offset”和“Stop Offset”所要測(cè)量的偏離載波的頻偏頻率。

h）按“Meas Setup”鍵,將“Decade Table”設(shè)為“On”狀態(tài)。

i）按“FREQUENCY Channel”鍵,將“Carrier Freq”設(shè)成與需要測(cè)量的信號(hào)的頻率一致的中心頻率。

j）按“Restart”鍵進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3　相位噪聲測(cè)量結(jié)果

4　結(jié)束語(yǔ)

相位噪聲是衡量頻率源穩(wěn)定度的重要參數(shù)。目前,隨著頻率標(biāo)準(zhǔn)源性能的不斷改善,相應(yīng)噪聲量值變得越來(lái)越小,因而對(duì)相位噪聲譜的測(cè)量的要求也變得越來(lái)越高?；诖?本文提出了一種利用頻譜分析儀加載相關(guān)應(yīng)用軟件,以軟硬件相結(jié)合的方式快速地測(cè)量相位噪聲的方法,從而大大地節(jié)省了測(cè)量時(shí)間,提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]全國(guó)無(wú)線電計(jì)量技術(shù)委員會(huì).信號(hào)發(fā)生器檢定規(guī)程: JJG 173-2003 [S] .北京:中國(guó)計(jì)量出版社, 2004.

[2]王志田.無(wú)線電電子學(xué)計(jì)量[M] .北京:原子能出版社, 2002.

[3]張海明.頻率源的相位噪聲特性分析[J] .無(wú)線電通信技術(shù). 1999, 25（1）: 25-27.

[4]朱華,黃輝寧,李永慶,等.隨機(jī)信號(hào)分析[M] .北京理工大學(xué)出版社, 2002.

[5] ROBINS W P.相位噪聲[M] .秦士,姜遵富,譯.北京:人民郵電出版社, 1988.

Phase Noise Test Solution

CAI Hao-di, WANG Qing-qiang
（CEPREI-EAST, Suzhou 215011, China）

Abstract:Firstly, the definition of phase noise is described. And then, the principle and method of measuring the phase noise of signal with spectrum analyzer are introduced. At last, the method of loading the relevant application software on a spectrum analyzer to fastly measure phase noise in a combination of software and hardware is proposed, which has an important significance for saving the measurement time and improving the work efficiency.

Key words:phase noise；spectrum analyzer；measurement principle；measurement software

作者簡(jiǎn)介：蔡昊迪（1986-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所助理工程師，主要從事無(wú)線電電子學(xué)計(jì)量工作。

收稿日期：2015-06-03修回日期：2016-01-27

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.014

中圖分類號(hào)：TM 937.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5468（2016）01-0060-03