相位噪聲測(cè)量對(duì)于確定本振、混頻器和放大器等射頻組件的短期頻率穩(wěn)定性至關(guān)重要。在雷達(dá)和數(shù)字通信系統(tǒng)領(lǐng)域，從業(yè)工程師需要快速且精準(zhǔn)地測(cè)量相位噪聲，以此加速產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，確保系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

相位噪聲的定義

在維基百科中，相位噪聲被定義為“時(shí)域不穩(wěn)定性（抖動(dòng)）致使波形在相位上產(chǎn)生快速、短期且隨機(jī)的波動(dòng)，這種波動(dòng)在頻域中的呈現(xiàn)即為相位噪聲”。這里“噪聲”一詞明確表明，它并非指雜散或確定性波動(dòng)。而“短期”的界定，是為了與確定時(shí)鐘源純凈度時(shí)所采用的其他方法相區(qū)分，例如以百萬(wàn)分之幾（ppm）為單位的穩(wěn)定度測(cè)量，后者通常是在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度，如秒或分鐘級(jí)別上進(jìn)行。

理想與真實(shí)信號(hào)在時(shí)域和頻域的對(duì)比

在頻域中，理想信號(hào)表現(xiàn)為離散的譜線(xiàn)。然而，真實(shí)信號(hào)并非如此，由于隨機(jī)幅度和相位波動(dòng)的影響，它以調(diào)制邊帶的形式，在高于和低于標(biāo)稱(chēng)信號(hào)頻率處形成譜線(xiàn)的擴(kuò)展。

相位噪聲在時(shí)域表現(xiàn)為相位的抖動(dòng)，其根源在于振蕩器的相位不穩(wěn)定性；在頻域則表現(xiàn)為載波的噪聲邊帶，這種噪聲邊帶會(huì)淹沒(méi)近載波端的小信號(hào)。

應(yīng)用指南

相位噪聲反映了振蕩源在特定時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生相同頻率的精準(zhǔn)程度。針對(duì)短期頻率穩(wěn)定性，工程師主要測(cè)量信號(hào)頻率在秒級(jí)時(shí)間內(nèi)的變化情況。

如圖所示，理想振蕩器產(chǎn)生的純正弦波不包含相位噪聲，在頻域中呈現(xiàn)為清晰的單根譜線(xiàn)。

但在現(xiàn)實(shí)世界中，振蕩器的相位噪聲會(huì)使信號(hào)功率向相鄰頻率擴(kuò)散，如圖中紅線(xiàn)所示，信號(hào)能量不再集中于單一頻率點(diǎn)，而是分布在一定頻率范圍內(nèi)。

相位噪聲的測(cè)量方法

單邊帶（SSB）相位噪聲 L(f) 是衡量相位噪聲的關(guān)鍵指標(biāo)，它指的是載波特定偏移頻率處的功率密度與載波信號(hào)總功率的比率，如圖所示。

相位噪聲測(cè)量采用相對(duì)于載波的偏移頻率 fm。由于噪聲能量邊帶對(duì)稱(chēng)地分布在載波周?chē)?，因此只需在單邊帶上進(jìn)行測(cè)量即可獲取相位噪聲信息。通常在 1 Hz 測(cè)量帶寬中測(cè)量噪聲能量的功率譜密度，結(jié)果以 dBc/Hz 為單位。

絕對(duì)相位噪聲

絕對(duì)相位噪聲是指由 1 端口器件（例如振蕩器）產(chǎn)生的相位噪聲，如圖所示。對(duì)于諸如 Keysight 信號(hào)發(fā)生器這類(lèi)設(shè)備，絕對(duì)相位噪聲是其關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，直接反映了信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的純凈度和穩(wěn)定性。

殘余相位噪聲

殘余相位噪聲（或加性噪聲）是指多端口設(shè)備（如放大器）在工作過(guò)程中添加到信號(hào)中的噪聲，如圖所示。為了準(zhǔn)確測(cè)量多端口設(shè)備的噪聲貢獻(xiàn)，殘余噪聲測(cè)量需要有效消除源噪聲的影響，從而精確評(píng)估設(shè)備自身引入的噪聲水平。

相位噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響

對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的影響

當(dāng)目標(biāo)超低空飛行時(shí)，雷達(dá)會(huì)面臨強(qiáng)烈的地面雜波干擾。要從強(qiáng)地雜波中準(zhǔn)確提取信號(hào)目標(biāo)，雷達(dá)必須具備很高的改善因子。因?yàn)檫@些雜波進(jìn)入接收機(jī)并經(jīng)過(guò)混頻處理后，很難將有用信號(hào)與強(qiáng)地物反射波分離開(kāi)來(lái)，尤其是對(duì)于低速度運(yùn)動(dòng)目標(biāo)且接近地面時(shí)，目標(biāo)檢測(cè)難度極大。

然而，發(fā)射信號(hào)上的相位噪聲會(huì)掩蓋目標(biāo)多普勒信號(hào)，如圖所示。與靜止物體的雜波相比，移動(dòng)目標(biāo)信號(hào)的回波幅度較小。雖然濾波技術(shù)可以有效消除雜波，但對(duì)于隨機(jī)噪聲卻無(wú)能為力，這可能導(dǎo)致目標(biāo)被遺漏，降低雷達(dá)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)的影響

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)字發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中的相位噪聲會(huì)導(dǎo)致誤碼率（BER）增加，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。圖 展示了數(shù)字通信系統(tǒng)的基本框圖。該系統(tǒng)中的相位噪聲會(huì)引發(fā)符號(hào)偏移、頻譜再生和信道干擾等一系列問(wèn)題。  

符號(hào)偏移會(huì)直接導(dǎo)致檢測(cè)錯(cuò)誤。隨著信號(hào)功率的增加，I 和 Q 幅度增大，符號(hào)會(huì)擴(kuò)散到距離原本點(diǎn)位更遠(yuǎn)的地方，如圖中綠色所示。而高階調(diào)制格式意味著更窄的符號(hào)決策邊界，如圖中黑色網(wǎng)格線(xiàn)所示。因此，符號(hào)偏移會(huì)顯著增加高階調(diào)制格式的符號(hào)錯(cuò)誤率和誤碼率，降低通信系統(tǒng)的可靠性。

相位噪聲分析儀

相位噪聲分析儀的靈敏度是指儀器能夠準(zhǔn)確測(cè)量的最低相位噪聲水平。為了提高測(cè)量準(zhǔn)確性，工程師通常采用交叉頻譜平均（也稱(chēng)為互相關(guān)）技術(shù)來(lái)消除儀器自身噪聲的干擾。但這種方法會(huì)增加測(cè)試時(shí)間，因此需要在測(cè)量準(zhǔn)確性和測(cè)試效率之間尋求平衡。

初始靈敏度和儀器通過(guò)互相關(guān)降低本底噪聲的速度是衡量相位噪聲分析儀質(zhì)量的重要指標(biāo)。儀器的系統(tǒng)噪聲應(yīng)低于被測(cè)設(shè)備（DUT）的噪聲，工程師通常要求有 10 dB 以上的余量，以確保測(cè)量結(jié)果的可靠性。

相位噪聲測(cè)量挑戰(zhàn)

精確的相位噪聲測(cè)量面臨諸多挑戰(zhàn)，需要低噪聲源、復(fù)雜的測(cè)量設(shè)置、快速的互相關(guān)方法以及在絕對(duì)和殘余相位噪聲測(cè)量設(shè)置之間靈活切換的能力。此外，開(kāi)發(fā)人員通常還需要更多的分析方法，如雜散搜索和瞬態(tài)分析等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的全面表征。

Keysight E505xA SSA - X 架構(gòu)為相位噪聲測(cè)量提供了卓越的速度和靈敏度。SSA - X 信號(hào)源分析儀提供高達(dá) 54 GHz 的一體化相位噪聲測(cè)量解決方案，該綜合測(cè)量平臺(tái)不僅支持高靈敏度的絕對(duì)和殘余相位噪聲分析，還具備多種測(cè)量應(yīng)用功能，包括 VCO 表征、頻率瞬態(tài)分析和頻譜分析等，如圖所示。

SSA - X 采用 IQ 解調(diào)技術(shù)來(lái)測(cè)量相位噪聲。信號(hào)通過(guò)內(nèi)部功率分配器進(jìn)行分離，并下變頻至中頻（IF）。利用具有低相位噪聲本地振蕩器（LO）的相同測(cè)量接收機(jī)實(shí)現(xiàn)互相關(guān)操作。IQ 解調(diào)器允許同時(shí)測(cè)量相位噪聲和 AM 噪聲，頻率范圍高達(dá) 30 MHz；當(dāng)偏移超過(guò) 30 MHz 后，儀器將測(cè)量相位噪聲與 AM 噪聲之和。

相位噪聲測(cè)試方法

傳統(tǒng)上，相位噪聲測(cè)量采用相位檢波器測(cè)量方法，通過(guò)從信號(hào)源中減去載波和噪聲，僅測(cè)量被測(cè)設(shè)備（DUT）的噪聲。而 SSA - X 架構(gòu)則運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)消除源信號(hào)和本地振蕩器（LO）信號(hào)，從而顯著提高了相位噪聲測(cè)量的速度和靈敏度，如圖所示。這一創(chuàng)新技術(shù)為相位噪聲測(cè)量帶來(lái)了更高的效率和準(zhǔn)確性，推動(dòng)了射頻組件測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。