一、相位噪聲的頻譜定義與測試方法

相位噪聲是衡量振蕩器短期頻率穩定性的一個關鍵參數，它描述了振蕩器輸出信號的相位隨時間的隨機波動。在頻譜上，相位噪聲表現為載波頻率周圍的噪聲邊帶。理解和測量相位噪聲對于設計高性能的通信系統和信號處理電路至關重要。

相位噪聲的頻譜定義

相位噪聲通常定義為在特定頻率偏移（offset frequency）處，相對于載波功率的單邊帶噪聲功率密度。

圖 相位噪聲的頻譜定義示意圖

相位噪聲的測試方法

測量相位噪聲的方法有多種，以下是幾種常見的測試方法：

1. 直接頻譜分析法：

使用頻譜分析儀（Spectral Analyzer）直接測量載波附近的噪聲邊帶。

*設置頻譜分析儀的中心頻率為振蕩器的輸出頻率，并調整分辨率帶寬（Resolution Bandwidth, RBW）以清晰地顯示噪聲邊帶。

讀取特定頻率偏移處的相位噪聲水平，并將其轉換為dBc/Hz。

2. 相位檢測器法：

使用相位檢測器（Phase Detector）和頻譜分析儀組合來測量相位噪聲。

相位檢測器將振蕩器的輸出與一個參考信號進行比較，產生一個與相位噪聲成正比的電壓信號。

將這個電壓信號輸入到頻譜分析儀中，分析其頻譜成分以獲得相位噪聲的信息。

3. 延遲線法：

使用延遲線（Delay Line）和混頻器（Mixer）來測量相位噪聲。

將振蕩器的輸出信號通過一個延遲線，然后與原始信號一起輸入到混頻器中。

混頻器輸出的差頻信號包含了相位噪聲信息，通過分析這個信號可以計算出相位噪聲。

4. 零拍法（Zero-Span Method）：

這是一種利用頻譜分析儀的特殊測量技術，適用于測量非常接近載波的相位噪聲。

將頻譜分析儀的中心頻率設置為振蕩器的輸出頻率，并將分辨率帶寬調至最小。

通過觀察載波兩側的噪聲峰值，可以獲得相位噪聲的估計值。

但是頻譜儀測量相位噪聲卻有不少局限性：

· 測量靈敏度不高，受到頻譜儀固有相位噪聲的限制。因為頻譜儀是超外差接收機結構，接收機本振的相位噪聲限制了頻譜儀測量相位噪聲的靈敏度。

· 無法區分調幅噪聲和相位噪聲，因為兩者都會引起頻譜的展寬。

· 無法測量非常近載波的相位噪聲，最小頻偏受分辨率濾波器形狀因子限制。

· 頻譜儀動態范圍也限制了相位噪聲測量靈敏度。由于噪聲功率與載波功率之間差別巨大，頻譜儀的動態范圍也限制了相位噪聲測量靈敏度。

相位噪聲的測試是一個復雜的過程，需要精確的儀器和正確的測量技巧。不同的測試方法適用于不同的應用和頻率范圍。在實際測量中，工程師需要根據振蕩器的特性和所需的精度選擇合適的測試方法。此外，測試環境的控制也很重要，例如溫度、電源噪聲和機械振動等因素都可能影響測量結果的準確性。因此，進行相位噪聲測試時，應當在屏蔽良好的環境中操作，并采取適當的隔離措施以減少外部干擾。

二、相位噪聲的相位定義與測試方法

相位噪聲是指振蕩器輸出信號的相位隨時間的隨機波動，這種波動在頻譜上表現為載波頻率周圍的噪聲邊帶。相位噪聲的存在對于許多精密電子設備和通信系統的性能有著顯著影響，因此理解和測量相位噪聲是電子工程中的一個重要方面。

相位噪聲的相位定義

相位噪聲通常定義為在特定頻率偏移處，相對于載波功率的單邊帶噪聲功率密度。

相位噪聲的測試方法

測量相位噪聲的方法有多種，以下是幾種常見的測試方法：

1. 直接頻譜分析法：

使用頻譜分析儀（Spectral Analyzer）直接測量載波附近的噪聲邊帶。

設置頻譜分析儀的中心頻率為振蕩器的輸出頻率，并調整分辨率帶寬（Resolution Bandwidth, RBW）以清晰地顯示噪聲邊帶。

讀取特定頻率偏移處的相位噪聲水平，并將其轉換為dBc/Hz。

2. 相位檢測器法：

使用相位檢測器（Phase Detector）和頻譜分析儀組合來測量相位噪聲。

相位檢測器將振蕩器的輸出與一個參考信號進行比較，產生一個與相位噪聲成正比的電壓信號。

將這個電壓信號輸入到頻譜分析儀中，分析其頻譜成分以獲得相位噪聲的信息。

3. 延遲線法：

使用延遲線（Delay Line）和混頻器（Mixer）來測量相位噪聲。

將振蕩器的輸出信號通過一個延遲線，然后與原始信號一起輸入到混頻器中。

混頻器輸出的差頻信號包含了相位噪聲信息，通過分析這個信號可以計算出相位噪聲。

4. 零拍法（Zero-Span Method）：

這是一種利用頻譜分析儀的特殊測量技術，適用于測量非常接近載波的相位噪聲。

將頻譜分析儀的中心頻率設置為振蕩器的輸出頻率，并將分辨率帶寬調至最小。

通過觀察載波兩側的噪聲峰值，可以獲得相位噪聲的估計值。

5.鑒相器法

鑒相器法通過鑒相器直接測量信號的相位時域波動，通過FFT變換得到頻域描述的相位噪聲。

圖 2、鑒相器法測量相位噪聲

鑒相器法可以結合鎖相環自動鎖定待測信號，實現自動測試。另外，鑒相器法可以結合互相關算法，使用兩套獨立的硬件從而大幅提高相位噪聲的測量靈敏度。

鑒相器方法測量相位噪聲的優點有：

· 可以區分調幅噪聲和相位噪聲

· 測量相位噪聲的靈敏度大幅度提高，互相關算法可突破儀表自身相位噪聲的限制。鑒相器的載波抑制效果可以回避動態范圍問題。

· 可以測量近載波的相位噪聲。

相位噪聲的測試是一個復雜的過程，需要精確的儀器和正確的測量技巧。不同的測試方法適用于不同的應用和頻率范圍。在實際測量中，工程師需要根據振蕩器的特性和所需的精度選擇合適的測試方法。此外，測試環境的控制也很重要，例如溫度、電源噪聲和機械振動等因素都可能影響測量結果的準確性。因此，進行相位噪聲測試時，應當在屏蔽良好的環境中操作，并采取適當的隔離措施以減少外部干擾。