频谱分析仪相位噪声测量功能的实现

L(f
m
)
=PSS B PS
=10 log
P SSB PS
(单位
dBc
/
H
z)
(2)
进一步变换有 :
L (f m) =10log PSSB - 10log PS =L ph (f of f ) - L
(f c)
(3)
式(3)中 L(f c)代表载波功率电平 , L ph (f of f )
Implementation of the phase noise measuring method in spectrum analyzer
Wang F eng Liang Xiao qin
(The 41st Research Inst it ut e o f C E TC , Qin gd ao 266555)
band phase noise spect rum. Keywords :phase noise , spectrum analyze r , subsecti on sw eeping , opti mize.
0 引 言
在现代通信 、雷达 、导航 、电子对抗等测量领域 , 信号发生器的应用变得越来越广泛 , 对信号发生器 指标特别是频谱稳定度的要求也变得越来越高 。 相 位噪声是衡量信号发生器短期频率稳定度的最直接 最重要的指标之一 , 因此无论在研发还是生产过程 中 , 方便 、快捷 、准确地实现对信号相位噪声的测量 是各个应用领域非常迫切的需求 。 对于相位噪声的测量 , 可以采用外差 ———计数 方法 、频谱分析仪直接法 、鉴频测量法以及鉴相测量 法等几种方法进行 。 随着频谱分析仪低相噪频率合 成以及低噪声信号通道等相关技术的快速发展 , 频 谱分析仪本底相位噪声和动态范围等指标取得了很 大的提高 , 能够满足大部分情况下用户对相位噪声 的测试要求 , 同时由于频谱分析仪作为测量平台具 有较好的开放性 , 功能的扩展 、测试算法优化以及测 量过程定制等方面的灵活性很高 , 使得它能够不断 跟踪用户的最新测试需求 。正是由于以上原因 , 使
用频谱分析仪进行相位噪声的测试变得越来越有现 实意义 。
1 频谱分析仪直接法的原理
相位噪声起源于实际应用中振荡器输出不可避 免的相位 、频率和幅度变化 , 这些变化对振荡器而言 属于寄生调制 , 其中相位变化是影响信号相位噪声 的主导原因 。 频域表示的相位噪声可以简单地看作 是无数的相位调制边带 , 在载波信号两侧连续对称 分布 , 从 1H z 一直到几十 M Hz 范围 。 通常对相位 噪声的测量可以使用偏离载波一侧的噪声功率谱即
素 , 单边带相位噪声电平 L ph (f of f )可用如下的关系
式计算(式中 L(f of f )在为频谱分析仪用频标直接读
取的 单频 偏点 噪声 电平) :
L ph (f of f )=L(f o f f )+2. 5 - 10log(1. 1 ×RB W)
(6)
最终通过频标功能分别测量载波电平 L (f c)和
单边带相位噪声进行 , 美国国家标准局使用 L(fm )
来表示信号的单边带相位噪声 , 其定义为偏离载波
一定频率(f m)处 , 在 1H z 带宽内的相位调制边带功 率(PSSB)与总的载波信号功率(PS )之比 , 使用公式
表示如下 :
百度文库
L(f
m
)
=功率
密度(一个相位调制边带 总的载波功率
1Hz 带宽)
图 3 环路带宽对本振相噪的影响
表 1 环路带宽和载波相位噪声关系表
环路带宽 / 载波距离
载波近端
载波 远端
宽环路带宽
相位噪声 最低 /最好
相位 噪声 恶化 /最差
中等环路 带宽
窄环路带宽
相位噪声 较低 /较好 相位噪声 很高 /最差
远低于 宽环路 带宽噪声 /较好 接近自 由振荡
噪声 /最好
22
图 4 环路带宽对本振相噪的影响
频谱分析仪通过扫描执行测量 , 设定的扫宽 、扫 描时间 、分辨率带宽 、参考电平等多数参数最终都作 用在扫描上 , 作为频谱分析仪中比较独立的功能单 元 , 扫描可以进行定制和组合 。 由于实际存在的限 制因素 , 频谱分析仪无法直接实现对数频率刻度扫 描 , 但是实现了可变扫宽的线性频率扫描 , 因此在相 位噪声谱测量中 , 可以根据扫描的频偏范围将一次对
第 25 卷
征 , 而需要测量连续的单边带相位噪声谱 , 这就是宽 频带相位噪声的测量问题 。单边带相位噪声谱通常 采用 对 数 频 率 刻 度 , 频 偏 跨 度 可 以 从 1H z 到 100M H z , 特殊情况下可以扩展到 1GH z 范围 。 在 整个宽频带范围内 , 必须同时兼顾偏离载波近端 、中 间 、远端以及极远端的测量准确性 , 同时要尽量提高 测试速度和自动化程度 , 确保对数频率刻度的相位 噪声曲线对实际应用的参考价值 。 在频谱分析仪中 , 直接实现对数频率刻度扫描 并不现实 , 一方面是振荡器驱动电路设计的复杂程 度 , 另一方面是在对数扫描频率高端的扫速将达到 甚至超过 1GH z / ms , 这是几乎所有的振荡器都难以 实现的 。 此外 , 载波近端和远端的测量一致性受频 谱分析仪各功能参数的影响很大 , 如果直接采用频 谱分析仪的线性扫频模式则很难保证整个测量范围 内的准确度 。这其中比较重要的几个参数包括频谱 分析仪本振的相噪 、分辨率带宽的设置等 。 如前所述 , 频谱分析仪本振的相位噪声必须优 于载波信号的相位噪声 , 才能实现对载波相位噪声 的准确测量 。频谱分析仪本振采用锁相合成的方式 产生 , 它的相位噪声受频率锁相电路中的环路带宽 影响很大 , 在不同环路带宽下的本振相位噪声如图 3 所示 , 具体关系如表 1 所示 。因此在实际的 测量 过程中 , 必须根据偏离载波的距离选择不同的环路 控制方法 :测量近端相位噪声 , 采用宽环路带宽可以 获得较好的指标 , 而测量远端则采用窄的环路带宽 。
代表的是频偏 f of f 处归一化到 1H z 等效噪声 带宽
内使用有效值检波器获得的噪声功率电平 。 对载波
而言 , 功率电平可以直接从频谱分析仪轨迹上用峰
值读取 。 但对于频偏 f of f 处噪声功率电平而言 , 由 于频谱分析仪使用的是可变的分辨率带宽(RBW) 滤波器以及通常的取样检波器 , 这和相位噪声测量
=P SSB Ps
(1)
作者简介 :王 峰(1972 - ) , 工程师 , 主要从事仪器设计工作 。 20
2006 年第 11 期
王 峰 , 等 :频谱分析仪相位噪声测量功能的实现
对距载波一定频偏处相位噪声的测量 , 可以使 用频谱分析仪提供的噪声频标功能直接进行 , 这也 就是频谱分析仪直接法命名的由来 。频谱分析仪一 般采用超外差式的实现模式(如图 1 所示), 射频输 入信号(载波)F IN 进入频谱分析仪后 , 和高纯的合成 本振 F LO 进行谐波混频 , 得到适合进行处理的 中频 信号 F IF , 中频信号经过增益调理 、分辨率带宽滤波 、 包络检波和视频滤波 , 最终得到对应输入信号功率 的视频电平并进行后续的显示和测量操作 。
图 2 噪声带宽和分辨率带宽关系示意图
图 1 频谱分析仪原理框图
由于频谱分析仪的本振可以连续调谐 , 而扫描 发生器产生驱动本振的斜坡电压 , 因此通过对扫描 发生器的编程控制 , 就可以实现可变扫宽的频域扫 描 。 如果低相噪本振和频谱分析仪其他部分的本底 噪声比输入信号低 , 通过这种扫描方式 , 输入信号的
分辨率带宽代表频谱分析仪频率分辨能力 , 分 辨率带宽越小频率分辨率越高 , 由于较小的分辨率 带宽往往采用数字高斯滤波器实现 , 其裙边选择性 较好 , 相对于较大的分辨率带宽它能够测量更为靠 近载波的相位噪声 。分辨率带宽同时具有对偏离被 测信号一定频偏处(带外)载波的抑制作用 , 越小的 分辨率带宽抑制作用越明显 , 这种特性可以提高频 谱分析仪对低相位噪声信号的测量能力 , 如图 4 所 示 。 然而在一定的扫描跨度下选择小的分辨率带宽 会大大延长扫描时间 , 因此在实际测量中最好选择 合适的而并非一定要最小的分辨率带宽 。
载波及其边带噪声信号就可以反映在频谱分析仪的
轨迹中 , 对载波及其噪声的测量可以通过轨迹表征 的频谱进行 。 在单边带相位噪声测量中 , 对信号功率的表征 通常使用功率电平(单位 dBm)进行 , 对相位噪声采 用 dBc / Hz 表示 , 这样根据公式(1)进行单位变换 , 转换为对数形式有 :
(中国电子科技集 团公司第四十一研究所 青岛 266555)
摘 要 :本文介绍利用频谱分析仪测量信号相位噪声的方法 。 根据相位噪声的定义 , 给出频谱分析 仪相关测量参数的换算关系 , 进而得到计算方法 。 在该计算方法的基础上 , 采用组合分段扫描的方 式 , 优化频谱分析仪测量参数 , 实现对数频率刻度宽频带相位噪声谱的测量 。 关键词 :相位噪声 频谱分析仪 分段扫描 优化
这样归一化的 1H z 噪声带宽 BN 和分辨率带宽
RBW 的换算关系为 :
B N =1. 1 ×RBW /1H z
(4)
对边带噪声功率电平的修正 LBN 换算成对数形
式为 :
L BN =10log(1. 1 ×RB W)
(5)
在频谱分析仪中 , 使用取样检波器对噪声电平
的测量比有效值低 2. 5dB 。 考虑上 述两点修 正因
第 25 卷 第 11 期 2006 年 11 月
国 外 电 子 测 量 技 术 F orei gn Elect ronic Measurement T echnology
V ol. 25 , No . 11 N ov. , 2006
研究与设计
频谱分析仪相位噪声测量功能的实现
王 峰 梁小琴
所要求的参数不一致 , 必须进行等效转换 。 在频谱 分析仪中 , 分辨率带宽通常采用 4 阶级联的高斯型 滤波器 , 并采用 3dB 作为带宽标度 , 而噪声带宽则 采用对等区域的等效折算带宽(如图 2 所示);一般 而言 , 4 阶模拟滤波器的噪声带宽和分辨率带宽之 比约为 1. 1 , 而数字高斯滤波器是 1. 065(以下以模 拟滤波器说明)
Abstract :A method o f how t o measure the sig nal's phase noise by spect rum analy zer is int roduced. T he conversio n relati on of some spect rum analyzer's co rrel ative measuring paramet ers f rom the definitio n of the phase noise is g iven , then t he met hod to calculate t he phase noise i s gained. On t he basi s of t he calculat ing met hod , using t he w ay of com bini ng subsectio n sweeping , Som e spect rum analy zer's measuring paramet ers are opti mized and the measuri ng of t he log arithm f requent scale broad-
- 82. 5dBm , 分辨率带宽是 10kH z , 根据公式(7)可
以计算出该载 波在频偏 100kH z 处的 相位噪 声为
- 110. 4dBc / Hz 。
2 宽频带相位噪声测量
根据信号相位噪声的分布特点 , 对信号发生器 相位噪声的评估 , 往往不能以几个孤立的频偏点表
21
国 外 电 子 测 量 技 术
单频偏点噪声电平 L(f of f ), 代入公式 3 计算即可得
到单点频偏处的相位噪声 。
L(f m)=L(f of f )+2. 5 - 10log(1. 1 ×RB W)-
L( f c)
(7)
例如 :输入信号为 1G Hz , 功率为 - 10dBm , 偏
离该 载 波 100kH z 处 的 噪 声 电 平 频 标 读 数 为