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1、# 44#计量与质量专题学术交流会论文专辑2007年第 27卷增刊频谱分析仪在相位噪声测量中的应用吴诚(成都飞机工业(集团 ) 有限责任公司质量管理部 ,四川 成都 610091)摘要 :随着航空航天、 宇航测控、 数字通信等科技领域的高速发展以及计量测试技术的日新月异,作为短期频率稳定度直接反映的相位噪声已成为计量测试领域中越来越受到重视并得到深入研究的一个参量。 本文探讨的是利用频谱分析仪(即直接频谱分析仪法) 在相位噪声测量中的实际应用。关键词:测量 ;频谱分析仪;相位噪声;相位噪声测量0 引言在宇 航 测控、雷达、通讯等 应用 工程 中,由 于(短期 ) 频率稳定度直接影响到测速、测距
2、、定位的准确度和数字通讯的误码率, 比如测距频率变化017H z 将至少带来1cm的测量偏差 , 因此在上述应用领域中都对作为短期频率稳定度直接反映的重要参数) )相位噪声提出了越来越高的技术要求。在实际工作中对于如此重要的频率参量如何利用已有的测试设备 ,如何选用正确的测量方法对其进行准确而有效地测量也一直是计量检定/校准人员或测试工程师们探讨的课题。本文在论述利用频谱分析仪测量相位噪声的测量原理、测量方法等内容的基础上,提出了直接用频谱分析仪测量相位噪声亦即直接频谱仪法在相位噪声测量中是一种应用较普遍的方法,同时也是计量检定/ 校准人员或测试工程师们在相位噪声测量中的一种首选测量方法。1
3、频谱分析仪目前,信号的分析主要从时域、频域、调制域三方面进 行,频域测量分析方法是观测信号 幅度( V )或能量(V2) 与频率的关系。由于在无线电中的众多测量任务之一就是频域中的信号检测,因此把信号的能量分布情况作为频率的函数在显示屏幕上直观显示出来的频谱分析仪已成为功能齐备并得到广泛使用的射频测试仪表的一种。频谱分析仪是以频域方式对信号参数进行分析的测量仪器 ,其实 质为 一连续 选频 式电 压表 或( 外差式 ) 扫频接收机 , 主要用于各种频率合成器、信号源等调制信号的频谱、调制度及频谱纯度、谐波失真和寄生调制等参数的观测。除上述基本功能外, 频谱分析仪还有一种特殊的功能,即相位噪声测
4、量。在频谱分析仪上 ,一个被测信号的所有不稳定度总和(即相位噪声和幅度噪声) 表现为载波两侧的噪声边带, 通常当已知幅度噪声远小于相位噪声时(至少小于10 dB),在频谱分析上测得显示的边带噪声即为相位噪声。2 相位噪声211相位噪声的定义相位噪声是由频 率源的 内部噪 声(主要 是白噪声、闪变噪声) 对振荡信号的频率和相位均产生调制而引起输出频率的随机相位或频率起伏。它描述的是在短期时间间隔内引起频率源输出频率不稳定性的所有包含因素 , 是频率信号边带谱噪声的度量,是频率源短期频率稳定度的直接反映。212相位噪声的表征在测量中的多数情况下,我们感兴趣的是与载波功率有关的相位(频率 ) 起伏的
5、实际边带功率,因此把真正意义上的/功率谱密度0 ) ) 单边带相位噪声作为相位噪声实际意义上的表征量。结合图1 ,根据N IST (美国国家标准技术研究会) 的标准定义,单边带相位 噪声 是指 偏离 载波f 处,一个 相位 调制 边带(相对于1 H z分析测量带宽) 的功率密度(功率谱密度 ) 与载波功率的比值,用 i ( f ) 表示 ,单位为dBc/H z 。其表达式可由式(1) 表示。i ( f) =PmBnPc(1)式中:Pm为偏离载频f处的一个相位调制边带的平均功率,dBm;Pc为载波( f0) 功率 ,dBm; Bn为测量系统的等效噪声分析带宽,H z 。作者简介 :吴诚( 197
6、1-),男,工 程师 ,主要从 事信 号源 计量检定工作。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 计 测 技 术仪器与应用# 45 #图 1相位噪声的表征3 相位噪声测量相位噪声的测量基本上分为连续波和调制波(多为脉冲调制波) 两大类。每一类又可分为频率源的相位噪声(称为绝对相位噪声) 和频率控制部件(二端口、三端口 , 称为附加噪声) 的相位噪声测量。在频域中 ,常用的测量方法主要有直接频谱分析仪法、相位检波器法和鉴频
7、器法等三种。但应该指出, 在不同场合对相位噪声的要求不同,测量方法也会有所不同。典型的相位噪声测量因测试技术和测量设备的发展已可由如Ag ilent、A eroflex等 仪器设备公司生产的专业相位噪声测试系统完成。限于篇幅 ,本文仅从测量原理、测量步骤以及测量不确定度等方面探讨利用频谱分析仪即直接频谱分析法在连续波相位噪声测量中的实际应用。311 频谱分析仪测量相位噪声的测量原理采用频谱分析仪对相位噪声测量的测试方法称为直接频谱分析仪法。该方法在实际应用时不需要搭建测试系统 ,不仅能在频谱分析仪上直接显示单边带相位噪声 i (f )的测量值 ,而且还可以同时准确地显示其他离散信号 , 尤 其
8、是在微米、毫米波段更具有简单、灵活、易用的特点,因而在实际测试中得到了广泛应用。其基本测量原理框图如图2所示。其中图2 ( a)是将被测源的输出信号直接加到频谱分析仪的RF 输入口后 , 由频谱分析仪直接进行分析测量;图 2 ( b)是为了提高测量系统的分辨力,先将被测源信号与参考源信号混频后, 得到一合适中频信号,再由高分辨力的低频频谱分析仪对这一中频信号进行分析测量。用频谱分析仪对相位噪声直接测量,要求作为主要测试设备的频谱分析仪具有低本底噪声、高动态测量范围和低分辨带宽等特性。在图2 ( b) 中,还要求参考源的相位噪声应比被测源的低10 dB 以上 , 否则应考虑参考源的相位噪声对测量
9、结果的影响。具体修正值数据由表1给出。图 2频谱分析仪测量相位噪声的基本测量原理框图表 1相位噪声测量结果修正值数据表i ( f)REF -i ( f)DUT /dB0123451015测量结果修正值 / dB- 310- 2 15- 211- 1 18- 1 15- 112- 0 14- 0 12312频谱分析仪测量相位噪声的测量步骤由于频谱分析仪技术和功能的发展迅速,许多公司(如 R& S公 司、 ADVANTEST 公 司、 AG ILENT 公司 ) 的高档频谱分析仪都具备了直接测量显示相位噪声的功能和归一化分析计算软件,这样在实际测试中就不再需用式( 2) 计算相同载波在不同频偏处的
10、相位噪声。因此 ,下述的测试步骤是一种通用的频谱分析仪测量相位噪声的测量方法步骤。1) 在频谱分析仪上设置与被测信号频率相同的CENTER (中心频率) 并使被测信号靠近屏幕的左侧。2) 在频 谱分 析 仪上 设 置 REF LEVEL(参 考电平 ) 略大于或等于被测载波信号的实际输出电平值。3) 在频谱分析仪上根据被测信号频率大小设置适当 的SPAN ( 扫 频 宽 带 )、 RBW(分 辨 力 带 宽 )、VBW(视频带宽) 使其能显示出被测信号在有效带宽内的一个或两个噪声边带。4) 用频谱分析仪分别测量载波功率Pc和指定偏离载波f处的边带噪声功率Pm(也可直接用频谱分析仪的 $MARK
11、ER 功能测出Pc和 Pm的差值),并记录此时的RBW(分辨力带宽) 值。5) 对指定频偏点的单边带相位噪声i (f ),按公式( 2) 计算归一化的单边带相位噪声值。(如频谱分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - # 46#计量与质量专题学术交流会论文专辑2007年第 27卷增刊析仪具备归一化的相位噪声计算分析测量软件,则可直接测得已经过归一化计算的相位噪声值。)i ( f ) = Pm- Pc- 10log (11
12、2 BnT)+ C( 2)式中 :Pc为载波功率 ,dBm;Pm为偏离载波f 处的边带噪声功率 ,dBm ;BnT为频谱分析仪的实测等效噪声分析带宽 ,H z;C为频谱分析仪测量随机噪声的修正值 ,dB 。在实际应用中,通常用频谱分析仪面板给出的3dB带宽或具体测试中所用的分辨力带宽来代替频谱分析仪的实测等效噪声分析带宽BnT。但用频谱分析仪的实测等效噪声分析带宽 BnT是最 精确的 计算 方法。至于频谱分析仪测量随机噪声的修正值C 应根据实际使用的频谱分析仪滤波器的不同类型来取值。当选用SAMPLE (取样 ) 检波器及小的VBW(视频带宽) 下进行踪迹平均或对几次测量结果进行平均时,C =
13、 215dB ;选用 RMS (有效值 ) 检波器时 ,C= 0 dB 。313 频谱分析仪测量相位噪声的测量实例目前,单边带相位噪声作为(合成 ) 信号源短期频率稳定度的重要参数已在国家计量检定规程的频谱纯度项目中被明确列为必检项目。因而在实际工作中,相位噪声测量也变得越来越有实际意义。以下是本文选用 ROHDE& SC HWARZ 公司生产的S MY02 型合成信号源做 被测对象 , 简 要探讨利 用 ROHDE& SC HWARZ公司生产的FSEK30型频谱分析仪测量其相位噪声的实际应用。由于 S MY02 合成信号源的频率上限为1105 GH z ,而 FSEK30频谱分析仪的频率测量
14、范围是在20 H z40GHz ,因此在实际测量S MY02 输出频率在1GH z , 偏离载波为20 k H z的相位噪声时可以采用将被测输出信号直接馈入到FSEK30的输入端 , 而不用选择混频器做下变频处理的测量原理。其测量原理框图如图3所示。图 3S MY02 型合成信号源相位噪声测量原理框图根据文中212条的测量步骤,我们在频谱分析仪上分别设置中心频率1GH z 、参考电平0 dBm、分辨力带宽 2 kH z以及视频带宽1 H z等测试用的必要参数后, 便可得到如图4所示的测试界面。图 4S MY02合成信号源相 位噪声测试图( 1GHz)图 4 ( a) 中显示的测量值- 8211
15、1 dB ,就是利用频谱分析仪的$MARKER 功能直接测出Pc和频偏20kH z时的 Pm差值。由于FSEK30在测试时是SAMPLE(取样 ) 检波 ,那么频谱分析仪测量随机噪声的修正值C 取 215 dB , 则利用相位噪声归一化计算式(2) 便可求得被测对象S MY02 在载波1 GHz , 频偏20 kH z时的单边带相位噪声。其计算式为i (f )=- 82111-10log( 112 2000)+ 215= -113141 dBc/H z。而图4 ( b )中显示的相位噪声测量值- 113 120 dBc /H z ,则是因为FSE K30具备相位噪声归一化计算软件而直接测量得到
16、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 计 测 技 术仪器与应用# 47 #的被测对象S MY02 在载波1GHz , 频偏 20 k H z时的单边带相位噪声值。可以看出两者的测量结果是一致的。由于被测对象S MY02 在载波 1 GH z ,频偏20 kHz时的单边带相位噪声技术指标要求为小于- 112 dBc /H z , 而上述两者的测量结果均小于此指标值且仅仅相差 012 dB,因 此 可 以 确 定 实 际
17、的测 量 结 果 是 符 合SMY02相位噪声的指标要求,也从而可以进一步确定利用频谱分析仪测量相位噪声是能够满足实际工作需要且测量结果是有效的。图 5相位噪声测试图( RBW:1 kH z)图 6相 位噪声测试图( RBW:10 kH z)如果说图4表示的是频谱分析仪测量相同载波在同一频偏处的相位噪声,那么 ,图 5 、图6则表示了用同一频谱分析仪测量不同载波不同频偏时的相位噪声其所测的最低或最远频偏值的测量能力是不同的。当在FSE K 30频 谱分析仪上设置 的 SP AN,RB W分别为300 k H z和 1 kH z时,从图5中可以看出,其测量 S MY02 合成信号源载波在1 GH
18、z时的相位噪声的可测量频偏已可在200 k H z或以上 ,表明频谱分析仪是可以测量被测信号远载频(偏离载波的频偏大于10kH z时 ) 的相位噪声 ;而图 6中,FSEK30频谱分析仪上设置的SPAN, RBW 分别是1kH z和 10 H z ,那么其可测量的频偏点可从几十赫兹开始。RBW(分辨力带宽 ) 越小 ,频偏点越小 , 最小的频偏可测量点会受频谱分析仪自身测量能力的限制。综上所 述,在利用频谱分析仪测量相位噪声时 ,其 RBW 和 SP AN 的设置应根据被测信号的大小要求确定, 决定频偏起始 值的主 要因数 是频谱 分析仪 最小RBW(分 辨力带 宽 ) 值。当测 量相同 载波
19、时 ,如果RBW(分辨力带宽) 每增加1倍(即当RBW 1/RBW 2= 2) 时,则用频谱分析仪的$MARKER 功能实际测量得到的 Pc和 Pm差值将增加3 dB ( 10 log2), 而等效噪声 归一 化 10 log ( 112 BnT) 则 会减 少 3 dB ( 10 logRBW1/RBW2),故两者实测的相位噪声值应该是一致的, 测量误差应在013 05 dB的范围内变化。314频谱分析仪测量相位噪声的测量不确定度分析随着人们对测量结果的可靠性越来越关心, 测量不确定度这一概念也日益受到测试工程师及证书/报告使用者的关注和理解。测量不确定度是与测量结果相关联的参数 , 表征合
20、理地赋予被测量值的分散性。结合频谱分析仪对相位噪声测量的测量原理和测试方法 , 我们可以清楚地分析归纳出利用频谱分析仪在对相位噪声测量时的不确定度分量来源主要有: 频谱分析仪引入的测量不确定度; 测量重复性引入的不确定度。在测量不确定度具体评定时,频谱分析仪引入的测量不确定度采用B类评定方法 ,而测量重复性引入的不确定度采用A 类评定方法。它们的具体评定过程本文不再累椟,只是在表2中给出了测试用主要设备频谱分析仪引入的测量不确定度分量来源以及用B类不确定度评定方法计算出的频谱分析仪引入的测量不确定度典型值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -
21、 - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - # 48#计量与质量专题学术交流会论文专辑2007年第 27卷增刊表 2 频谱分析仪引 入的测量不确定度主要 来源及典型值不确定度来源不确定度典型值/ ? dB频谱分析仪的幅度( 相对 ) 引入 的不确定度0140 11 5等效噪声带宽测 量或计 算引 入的 不确定度01 20频谱分析仪频率响应引入的不确定度0125 11 0频谱分析仪中频增益引入的不确定度01 05噪声测量修正引入的不确定度01 20噪声的随机性引入的不确定度01 50参考源引 入 的 不 确 定
22、度(针 对 图2( b) )01 20频谱分析仪引入 的 不确 定 度典 型值 :0143 1110dB ;0145 11 11dB (针对图2 ( b ) )4 结束语利用频谱分析仪对相位噪声测量虽然在实际测量工作中具备操作灵活、简单易用等特点,并对边带噪声电平较高的频率源应该是首选的测试方法, 但在实际测试中其测量灵敏度等仍受频谱分析仪测量能力的限制。这主要体现在以下几方面:1) 直接用频谱分析仪对相位噪声测量虽操作简单、容易 ,但只适合于直接测量微米波及毫米波源的近载频相位噪声。2) 由于直接用频谱分析仪对相位噪声测量的主要设备是频谱分析仪 ,受频 谱分 析仪性 能(如动 态范围、自身噪
23、声、最小分辨力带宽等) 的限制 ,该方法不能直接测量频谱 纯净 源(如高 稳晶振、原子频标等 ) 的相位噪声 ;就是对微米波、毫米波源也往往不能测量远载频的相位噪声。3) 由于频谱分析仪在实际测量中不能区分频率源的调幅噪声和相位噪声,所以测量结果是频率源的射频功率谱SRF(f )。只是对调幅噪声小的频率源, 测得的才是相位噪声最有用的表征量i ( f );对调幅噪声严重的频率源 ,测得的是调幅噪声和相位噪声的总贡献, 而不是 i ( f )。参考 文献 1 A gilentA cade my 1E5504B PHASE NOISETEST S YSTE MTrain ingM aterial Z 1 2A gilent A cade my 1 PN9002 PULSE TO PUPLE RADARSTABI L ITY TESTERT rain ingM aterial Z1 3JJ F- 1999 ,测量不确定度评定与表示 S 1 4Fluke Corporation1校准 ) ) 理 论与实践M 1 北京 :中国计量出版社1名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -