维普资讯 http://www.cqvip.com ・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 Ｏ引言 还有一种特殊的功能，即相位噪声测量。在频谱分析 在宇航测控、雷达、通讯等应用工程中，由于 仪上，一个被测信号的所有不稳定度总和（即相位噪 （短期）频率稳定度直接影响到测速、测距、定位的准 声和幅度噪声）表现为载波两侧的噪声边带，通常当 确度和数字通讯的误码率，比如测距频率变化０．７ Ｈｚ 已知幅度噪声远小于相位噪声时（至少小于１０ ｄＢ）， 将至少带来１ｃｍ的测量偏差，因此在上述应用领域中 在频谱分析上测得显示的边带噪声即为相位噪声。 都对作为短期频率稳定度直接反映的重要参数——相 ２相位噪声 位噪声提出了越来越高的技术要求。在实际工作中对 ２．１相位噪声的定义 于如此重要的频率参量如何利用已有的测试设备，如 相位噪声是由频率源的内部噪声（主要是白噪声、 何选用正确的测量方法对其进行准确而有效地测量也 闪变噪声）对振荡信号的频率和相位均产生调制而引 一直是计量检定／校准人员或测试工程师们探讨的课 起输出频率的随机相位或频率起伏。它描述的是在短 题。本文在论述利用频谱分析仪测量相位噪声的测量 期时间间隔内引起频率源输出频率不稳定性的所有包 原理、测量方法等内容的基础上，提出了直接用频谱 含因素，是频率信号边带谱噪声的度量，是频率源短 分析仪测量相位噪声亦即直接频谱仪法在相位噪声测 期频率稳定度的直接反映。 量中是一种应用较普遍的方法，同时也是计量检定／校 ２．２相位噪声的表征 准人员或测试工程师们在相位噪声测量中的一种首选 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）起伏的实际边带功率，因此 测量方法。 把真正意义上的“功率谱密度”——单边带相位噪声 １频谱分析仪 作为相位噪声实际意义上的表征量。结合图１，根据 目前，信号的分析主要从时域、频域、调制域三 ＮＩＳＴ（美国国家标准技术研究会）的标准定义，单边 方面进行，频域测量分析方法是观测信号幅度（ ）或 带相位噪声是指偏离载波，处，一个相位调制边带 能量（ ）与频率的关系。由于在无线电中的众多测 （相对于１ Ｈｚ分析测量带宽）的功率密度（功率谱密 量任务之一就是频域中的信号检测，因此把信号的能 度）与载波功率的比值，用￡（ｆ）表示，单位为ｄＢｃ／ 量分布情况作为频率的函数在显示屏幕上直观显示出 Ｈｚ。其表达式可由式（１）表示。 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。 矗 （１） 频谱分析仪是以频域方式对信号参数进行分析的 式中：Ｐ 为偏离载频，处的一个相位调制边带的平均 测量仪器，其实质为一连续选频式电压表或（外差式） 功率，ｄＢｍ；Ｐ 为载波（ ）功率，ｄＢｍ；Ｂ 为测量 系统的等效噪声分析带宽，Ｈｚ。 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 作者简介：吴诚（１９７１一），男，工程师，主要从事信号源计量 调制等参数的观测。除上述基本功能外，频谱分析仪 检定工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com
计测技术 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Ａｇｉｌｅｎｔ、Ａｅｒｏｆｌｅｘ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。 ３．１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￡（ 的测量值，而且还可以同时准确地显示其 他离散信号，尤其是在微米、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 仪器与应用 ・４５・ 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结果的影响。具体修 正值数据由表１给出。 （ａ） （ｂ） 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 ￡∽ＲＥＦ一￡∽ ０ １ ２ ３ ４ ５ １０ １５ ＤＵＴ／ｄＢ 测量结果修正疽／ｄＢ 一３．０ —２５ —２１ —１．８ —１．５ —１．２ 一Ｑ４ 一Ｑ２ ３．２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、ＡＧＩＬＥＮＴ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Ｐ 和指定偏 离载波厂处的边带噪声功率Ｐ （也可直接用频谱分析 仪的ＡＭＡＲＫＥＲ功能测出Ｐ 和Ｐ 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￡（． ，按公式 （２）计算归一化的单边带相位噪声值。（如频谱分析仪 维普资讯 http://www.cqvip.com
・４６・ 计量与质量专题学术交流会论文专辑 ２００７年第２７卷增刊 便可得到如图４所示的测试界面。 Ｏ０ｌｆ＾’｜ＴＩｌ ｆｌＢ¨ Ｖ刚 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。） ￡（／）＝Ｐ 一Ｐ 一１０ｌｏｇ（１．２Ｂ Ｔ）＋ｃ （２） ２ ｋＨｚ ｌ ＲＦ ｔ ３０∞ ｄＢＩｌ 阳ｆ ＬｖＩ ・８２．１Ｉ∞ ０ ｄＢＩｌ ・２０・￣０００００００ ｋＨｚ ｌｆａ４Ｔ １２５。 Ｏｎｔｔ 式中：Ｐ 为载波功率，ｄＢｍ；Ｐ 为偏离载波厂处的边 带噪声功率，ｄＢｍ；Ｂ 为频谱分析仪的实测等效噪声 分析带宽，Ｈｚ；Ｃ为频谱分析仪测量随机噪声的修正 厂＼ ／ ｆ 值，ｄＢ。 。在实际应用中，通常用频谱分析仪面板给出的３ ｄＢ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Ｂ 。但用频谱分析仪的 实测等效噪声分析带宽Ｂ 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ＳＡＭ． ＰＬＥ（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＝２．５ ｄＢ； 选用ＲＭＳ（有效值）检波器时，Ｃ＝０ ｄＢ。 ３．３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＆ＳＣＨＷＡＲＺ公司生产的ＳＭＹ０２型合成信 号源做被测对象，简要探讨利用ＲＯＨＤＥ＆ＳＣＨＷＡＲＺ 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ＳＭＹ０２合成信号源的频率上限为１．０５ ＧＨｚ， 而ＦＳＥＫ３０频谱分析仪的频率测量范围是在２Ｏ Ｈｚ一 ４０ＧＨｚ，因此在实际测量ＳＭＹ０２输出频率在１ＧＨｚ，偏 离载波为２０ ｋＨｚ的相位噪声时可以采用将被测输出信 号直接馈人到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３ ＳＭＹ０２型合成信号源相位噪声测量原理框图 根据文中２．２条的测量步骤，我们在频谱分析仪 上分别设置中心频率１ ＧＨｚ、参考电平０ ｄＢｍ、分辨力 带宽２ ｋＨｚ以及视频带宽１ Ｈｚ等测试用的必要参数后， ＼ ｌ １ ｆ ＼ ｜ ｜ ｝ ｛ ｔ ／ ～ Ｃ邮１０ｒ １．Ｄ叩０２６ Ｓ№ ，０ ｋＨｚ／ Ｓ∞ｎ，Ｄ０ ｋＨｉ ｔ ：０７ ＮＯＶ．２Ｏ０５ Ｉ５：５９：４１ （ａ】 ｏｅ ｔ ｌ ｆＴｔ∞ｌ１始Ｈ ２ ｋ№ ＡＩ｝ ３Ⅱ∞ Ｒ日ｆ ｈｌ －ｌＩ３ ２０ ｄ￣Ｃ／Ｈｚ Ｖ刚 １№ Ｏ ｄＢ ，２ｏ．００００００００ ｋＨｚ Ｓｍ １２５● Ｌｈｌｔ ｃｌＢｍ ＦＸＤ ．０３３ ｄＢ ＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ｜ ｝ ｜ ｜ ｜ ｝ ？ ／ ； １ ／ ＼ Ｆ） Ｄ Ｃ白ｎ Ｌｅ，ｒ ｊ．００００２５ ｔＯ ｋＨｚ／Ｓ∞ｎ １０ｏ蝌怔 １日： ０７．Ｎ０Ｖ．２０８０ ｌ５：３３：２７ （ｂ】 图４ ＳＭＹ０２合成信号源相位噪声测试图（１ＧＨｚ） 图４（ａ）中显示的测量值一８２．１１ ｄＢ，就是利用 频谱分析仪的ＡＭＡＲＫＥＲ功能直接测出Ｐ 和频偏２Ｏ ｋＨｚ时的Ｐ 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２．５ ｄＢ，则利用相位噪声归一化计算式（２）便可 求得被测对象ＳＭＹ０２在载波１ ＧＨｚ，频偏２０ ｋＨｚ时的 单边带相位噪声。其计算式为￡（．厂）＝一８２．１ ｉ一１０１ｏｇ （１．２×２０００）＋２．５＝一１ １３．４１ ｄＢｃ／Ｈｚ。而图４（ｂ） 中显示的相位噪声测量值一１１３．２０ ｄＢｃ／Ｈｚ，则是因为 ＦＳＥＫ３０具备相位噪声归一化计算软件而直接测量得到 维普资讯 http://www.cqvip.com 计测技术 仪器与应用 ・４７・ 的被测对象ＳＭＹ０２在载波１ＧＨｚ，频偏２０ ｋＨｚ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ＳＭＹ０２在载波１ ＧＨｚ，频偏２０ ｋＨｚ 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ＦＳＥＫ３０频谱分析仪上设置的ＳＰＡＮ，ＲＢＷ分 别为３００ ｋＨｚ和１ ｋＨｚ时，从图５中可以看出，其测量 ＳＭＹ０２合成信号源载波在１ ＧＨｚ时的相位噪声的可测 时的单边带相位噪声技术指标要求为小于一１ １２ ｄＢｃ／ Ｈｚ，而上述两者的测量结果均小于此指标值且仅仅相 差０．２ ｄＢ，因此可以确定实际的测量结果是符合 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。 Ｄ尊ＩＩＥ １［ＴＩ Ｎ０ｆ】 ＲＢＵ Ｉ ｋＨｚ ＲＦ Ａｔｔ ３口ｄＢ Ｒ●ｆ ＬｖＩ ・ＩＩ８．２９ ｔｔＢｅ／Ｈｚ ＶＢＵ １０ Ｈｚ ＦＸＤ・０ ．５８ 蝎＾ ｛ ｆ 、． 、 √ ． — —～ ｌ ＦＩ ｎ Ｃｅｎｔ日ｒ １．０Ｏ口１０２ ＩＢＨｚ ３Ｄ ｋＨｚ／ Ｏ＾ｔｑ： Ｃｔ４， ．２０Ｑ６ ２２；Ｏ６：３Ｂ 图５相位噪声测试图（ＲＢＷ：１ ｋＨｚ） Ｄ０Ｉｔａ Ｉ【ＴＩ＾Ｄｌ】Ｒ８Ｕ ＩＤ Ｈｚ ＲＦ冉ｔｔ ３口ｄＢ Ｒｅｆ Ｌｖｌ 一８口．４３ ｄＢｃ／Ｈｚ 删 １ Ｈｚ Ｄ ｄ晰ｔ ｉｆ０ｆ１．口ｏ０口口口口０№ Ｔ ２５０￥ ｕｎｉｔ∞ｍ ＦｘＤ Ｉ ．２５ ｄＢ＿ ＾ ． Ｉ Ｊ ．Ｌ Ｉ Ｉ▲ Ｗ １ｆ， Ｉ 《 Ｃａｎｔ时１Ｏ．ＯＯＯ４ ｎ№ １０Ｏ Ｈｚ／Ｓ∞ｎ １ ｋ＂２ Ｏｅ ： ０４．＾口Ｖ。２００６ ２２：００：５８ 图６相位噪声测试图（ＲＢＷ：１０ ｋＨｚ） 如果说图４表示的是频谱分析仪测量相同载波在 量频偏已可在２００ ｋＨｚ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１０ ｋＨｚ 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１ｋＨｚ和１Ｏ Ｈｚ，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。 综上所述，在利用频谱分析仪测量相位噪声时， 其ＲＢＷ和ＳＰＡＮ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。当测量相同载波时，如果 ＲＢＷ（分辨力带宽）每增加１倍（即当ＲＢＷ１／ＲＢＷ２ ＝２）时，则用频谱分析仪的ＡＭＡＲＫＥＲ功能实际测量 得到的Ｐ。和Ｐ 差值将增加３ ｄＢ（１０ｌｏｇ２），而等效噪 声归一化１０ｌｏｇ（１．２Ｂ ）则会减少３ ｄＢ（１０ｌｏｇ ＲＢＷ ／ＲＢＷ ），故两者实测的相位噪声值应该是一致 的，测量误差应在０．３～Ｏ５ ｄＢ的范围内变化。 ３．４ 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１３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；测量重复性引人的不 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人的测 量不确定度典型值。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・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 频谱分析仪的幅度（相对）引入的不 确定度 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、 自身噪声、最小分辨力带宽等）的，该方法不能 不确定度典型值／±ｄＢ 等效噪声带宽测量或计算引入的不确 定度 直接测量频谱纯净源（如高稳晶振、原子频标等）的 ０．２５～１．０ 频谱分析仪频率响应引入的不确定度 相位噪声；就是对微米波、毫米波源也往往不能测量 频谱分析仪中频增益引入的不确定度 ０．０５ 噪声测量修正引入的不确定度 ０．２０ 噪声的随机性引入的不确定度 ０．５０ 参考源引入的不确定度（针对图２ ０．２０ （ｂ）） 频谱分析仪引入的不确定度典型值：０．４３—１．１０ｄＢ；０．４５～ １．１ｌｄＢ（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 。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 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ｓ艘（ 。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￡（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￡（ｆ）。 参考文献 ［１］Ａｇｉｌｅｎｔ Ａｃａｄｅｍｙ．Ｅ５５０４Ｂ ＰＨＡＳＥ ＮＯＩＳＥ ＴＥＳＴ ＳＹＳＴＥＭ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ［ｚ］． ［２］Ａｇｉｌｅｎｔ Ａｃａｄｅｍｙ．ＰＮ９００２ ＰＵＬＳＥ ＴＯ ＰＵＰＬＥ ＲＡＤＡＲ ＳＴＡＢＩＬＩＴＹ ＴＥＳＴＥＲ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ［ｚ］． ［３］ＪＪＦ一１９９９，测量不确定度评定与表示［ｓ］． ［４］Ｆｌｕｋｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．校准——理论与实践［Ｍ］．北京： 中国计量出版社．
