维普资讯 http://www.cqvip.com 航空与航天２００７年第１期 频谱分析仪在相位噪声测量中的应用吴诚 频谱分析仪在相位噪声测量中的应用 天 僦 吴 诚 成飞（集团）公司质量管理部四川成都６１００９２ 石、 ：二－ ・ ＃・ ：二－ ・ ・ ，・、＝ ・ ：，，・、 ・ ，・、 ，，・。 摘要随着航空航天、宇航测控、数字通 信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。 关键词频谱分析仪相位噪声 相位 噪声测量 １ 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、 定位的准确度和数字通讯的误码率。比如测 距频率变化０．７Ｈｚ将至少带来１厘米的测量 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。那么，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。频 谱分析仪在相位噪声测量中是一种应用较普 及，同时，也是计量检定／校准人员或测试工程 一２８一 师们在相位噪声测量中的一种首选测量方法。 ２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。无线 电的众多测量任务之一就是频域中的信号检 测，因而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 仪表中的一种。 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。它主要用于各 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ｌＯｄＢ），在频谱分析上测得显 示的边带噪声即为相位噪声。 ３相位噪声 ３．１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 维普资讯 http://www.cqvip.com 航空与航天２００７年第１期 频谱分析仪在相位噪声测量中的应用吴诚 位均产生调制而引起输出频率的随机相位或 分为频率源的相位噪声（称为绝对相位噪声） 频率起伏。它描述的是在短期时间间隔内引 和频率控制部件（二端１３、三端口，称为附加 起频率源输出频率不稳定性的所有包含因素， 噪声）的相位噪声测量。在频域中，常用的测 是频率信号边带谱噪声的度量，是频率源短期 量方法主要有直接频谱分析仪法、相位检波器 频率稳定度的直接反映。 法和鉴频器法等三种。但应该指出，在不同场 ３．２相位噪声的表征 合对相位噪声的要求不同，测量方法也会有所 在测量中的多数情况下，我们感兴趣的是 不同。典型的相位噪声测量因测试技术和测 与载波功率有关的相位（频率）起伏的实际边 量设备的发展已可由如Ａｇｉｌｅｎｔ、Ａｅｒｏｆｌｅｘ等仪 带功率，因此把真正意义上的“功率谱密 器设备公司生产的专业相位噪声测试系统完 度”——单边带相位噪声作为相位噪声实际 成。 意义上的表征量。结合图１，根据ＮＩＳＴ（美国 限于篇幅，本文仅从测量原理、测量步骤 国家标准技术研究会）的标准定义，单边带相 以及测量不确定度等方面探讨利用频谱分析 位噪声是指偏离载波ｆ处，一个相位调制边带 （相对于１Ｈｚ分析测量带宽）的功率密度（功 仪即直接频谱分法在连续波相位噪声测量中 率谱密度）与载波功率的比值，用￡（ｆ）表示， 实际应用。 单位为ｄＢｃ／Ｈｚ．。其表达式可由式（１）表示。 ４．１ 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 Ｐｃ 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￡（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．ａ、ｂ所 知 ｊ 示。其中图２．ａ是将被测源的输出信号直接 图１相位噪声的表征 加到频谱分析仪的ＲＰ输人口后，由频谱分析 ｐ ￡（ ） 最……………’。（ ） 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 式中：Ｐ ——偏离载频ｆ处的一个相位调制边 混频后，得到一合适中频信号，再由高分辨力 带的平均功率，单位为ｄＢｍ； 的低频频谱分析仪对这一中频信号进行分析 Ｐ ——载波（ ）功率，单位为ｄＢｍ； 测量。用频谱分析仪对相位噪声直接测量，要 Ｂ ——测量系统的等效噪声分析带宽， 求作为主要测试设备的频谱分析仪具有低本 单位为Ｈｚ。 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 ４相位噪声测量 比被测源的低１０ｄＢ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 相位噪声的测量基本上分为连续波和调 数据由表１给出。 制波（多为脉冲调制波）两大类。每一类又可 一２９— 维普资讯 http://www.cqvip.com 航空与航天２００７年第１期 频谱分析仪在相位噪声测量中的应用吴诚 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 ｌ￡（ｆ）ＲＥＦ一￡（ｆ）ＤＵＴ（ｄＢ）１ ０ Ｉ １ 三２３ ４ ： Ｌ＝：！Ｌ＝：上５［５ ：兰Ｌ＝１ ０ Ｉ１ ５［ 二４．２频谱分析仪测量相位噪声的测量步骤 归一化计算的相位噪声值。） 由于频谱分析仪技术和功能的发展迅速， ￡（ｆ）＝Ｐ 一Ｐ。一１０１ｏｇ１．２Ｂ。ｌＴ＋Ｃ……（２） 许多公司（如Ｒ＆Ｓ公司、ＡＤＶＡＮＴＥＳＴ公司、 式中：Ｐ ——载波功率，单位ｄＢｍ。 ＡＧＩＬＥＮＴ公司）的高档频谱分析仪都具备了 Ｐ ——偏离载波ｆ处的边带噪声功率， 直接测量显示相位噪声的功能和归一化分析 单位ｄＢｍ。 计算软件，这样在实际测试中就不再需用式 Ｂ ——频谱分析仪的实测等效噪声分 （２）计算相同载波在不同频偏处的相位噪声。 析带宽，单位为Ｈｚ。 因此，下述的测试步骤是一种通用的频谱分析 ｃ——频谱分析仪测量随机噪声的修正 仪测量相位噪声的测量方法步骤。 值，单位为ｄＢ。 ａ．在频谱分析仪上设置与被测信号频率 在实际应用中，通常用频谱分析仪面板给 相同的ＣＥＮＴＥＲ（中心频率）并使被测信号靠 出的３ｄＢ带宽或具体测试中所用的分辨率带 近屏幕的左侧。 宽来代替频谱分析仪的实测等效噪声分析带 ｂ．在频谱分析仪上设置ＲＥＦＬＥＶＥＬ（参 宽ＢｎＴ。但用频谱分析仪的实测等效噪声分 考电平）略大于或等于被测载波信号的实际 析带宽ＢｎＴ是最精确的计算方法。至于频谱 输出电平值。 分析仪测量随机噪声的修正值Ｃ应根据实际 Ｃ．在频谱分析仪上根据被测信号频率大 使用的频谱分析仪滤波器的不同类型来取值。 小设置适当的ＳＰＡＮ（扫频宽带），ＲＢＷ（分辨 当选用ＳＡＭＰＬＥ（取样）检波器及小的ＶＢＷ 率带宽），ＶＢＷ（视频带宽），使其能显示出被 （视频带宽）下进行踪迹平均或对几次测量结 测信号在有效带宽内的一个或两个噪声边带。 果进行平均时，ｃ为２．５ｄＢ；选用ＲＭＳ（有效 ｄ．用频谱分析仪分别测量载波功率Ｐ 值）检波器时，Ｃ为ＯｄＢ。 和指定偏离载波ｆ处的边带噪声功率Ｐ （也 ４．３频谱分析仪测量相位噪声的测量实例 可直接用频谱分析仪的ＡＭＡＲＫＥＲ功能测出 目前，单边带相位噪声作为（合成）信号 Ｐ 和Ｐ 的差值），并记录此时的ＲＢＷ（分辨 源短期频率稳定度的重要参数已在国家计量 率带宽）值。 检定规程的频谱纯度项目中被明确列为必检 ｅ．对指定频偏点的单边带相位噪声 项目。因而在实际工作中，相位噪声测量也变 ￡（ｆ），按公式（２）计算归一化的单边带相位 得越来越有实际意义。以下是本文选用 噪声值。（如频谱分析仪具备归一化的相位 ＲＯＨＤＥ＆ＳＣＨＷＡＲＺ公司生产的ＳＭＹ０２型合 噪声计算分析测量软件，则可直接测得已经过 成信号源做被测对象，简要探讨利用 一３０一 维普资讯 http://www.cqvip.com 航空与航天２００７年第１期 频谱分析仪在相位噪声测量中的应用吴诚 ＲＯＨＤＥ＆ＳＣＨＷＡＲＺ公司生产的ＦｓＥＫ３０型频 析仪测量随机噪声的修正值Ｃ取２．５ｄＢ，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１ＧＨｚ，频偏２０ｋＨｚ时的单 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 １．０５ＧＨｚ，而ＦＳＥ ０频谱分析仪的频率测量 范围是在２０Ｈｚ一４０ＧＨｚ，因此在实际测量 ＳＭＹ０２输出频率在１ＧＨｚ，偏离载波为２０ｋＨｚ 边带相位噪声。其计算式为： ￡（ｆ）＝一８２．１１—１０１ｏｇ１．２×２０００＋２．５ ＝一１１３．４１ｄＢｃ／Ｈｚ。 的相位噪声时可以采用将被测输出信号直接 馈人到ＦＳＥＩ（３０的输入端，而不用选择混频器 图４．ｂ中显示的相位噪声测量值一１１３． ２０ｄＢｃ／Ｈｚ，则是因为ＦＳＥＩ（３０具备相位噪声归 化计算软件而直接测量得到的被测对象 一做下变频处理的测量原理。其测量原理框图 如图３所示。 ＳＭＹ０２在载波１ＧＨｚ，频偏２０ｋＨｚ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。 图３ ＳＭＹ０２型合成信号源相位噪声 测量原理框图 由于被测对象ＳＭＹ０２在载波１ＧＨｚ，频偏 ２０ｋＨｚ时的单边带相位噪声技术指标要求为 小于一１ １２ｄＢｃ／Ｈｚ，而上述两者的测量结果均 根据文中３．２条的测量步骤，我们在频谱 分析仪上分别设置中心频率１ＧＨｚ、参考电平 ０ｄＢｍ、分辨率带宽２ｋＨｚ以及视频带宽１Ｈｚ等 测试用的必要参数后，便可得到如图４．ａ和图 ４．ｂ所示的测试界面。 小于此指标值且仅仅相差０．２ｄＢ，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。如果说图４表示的是 图４．ａ中显示的测量值一８２．１ｌｄＢ，就是 利用频谱分析仪的ＡＭＡＲＫＥＲ功能直接测出 Ｐｃ和频偏２０ｋＨｚ时的Ｐｍ差值。由于ＦＳＥＩ（３０ 在测试时是ＳＡＭＰＬＥ（取样）检波，那么频谱分 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。 ◇…，． ， ：＝：： ， ： “～ ◇ ０曲－ ． 。， Ｏ∞柏耻Ｏ ｋｔｔ￣ａ ，Ｔ ． Ｉ器● “ ｝’ ａｔａ，， ／＼ ／ Ｉ ｌ ＼ ’｝ ＼ ｝ ＼ ｆ ／ ｜ ｜ ／／ ｜ ｜ ｛ 、 ／ｔＯ ．乜， ：５９●＇ Ｉ ＼ ｜ ｜ ｛ ／ ， ｜ 、ｈ ｃ ｔ 抽ｌ●： Ｉ．Ｃ∞０ ｅ ０ Ｏｔ唧．∞Ｃ６ 轴ｎ ｓａｉｌ ．乜 ，● ｔ １∞０。２ｉ ２ 口ｔ 删批‘ ＩＳ．，，：２７ ｍ №， ａ ｂ 图４ ＳＭＹ０２合成信号源相位噪声测试图（１ＧＨｚ） ～３１— 维普资讯 http://www.cqvip.com 航空与航天２００７年第１期 ◇ ，鬟 ： “‘ ｒ垃 ．ＳＢ Ｉ ｌ Ｉ ｝ ＼ 。＼ ＾ Ｊ ｊ ｏＩＩｔ＝ ０‘．ｔ ． ｎ：ｏ６：Ｍ 图５相位噪声测试图（ＲＢＷ：ｌｋＨｚ） 当在ＦＳＥＫ３０频谱分析仪上设置的 ＳＰＡＮ、ＲＢＷ分别为３００ｋＨｚ和ｌｋＨｚ时，从图５ 中可以看出，其测量ＳＭＹ０２合成信号源载波 在１ＧＨｚ时的相位噪声的可测量频偏已可在 ２００ｋＨｚ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１０ｋＨｚ 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ｌｋＨｚ和 １０Ｈｚ，那么其可测量的频偏点可从几十赫兹 开始。ＲＢＷ（分辨率带宽）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（分辨率带宽）值。 当测量相同载波时，如果ＲＢＷ（分辨率带宽） 每增加１倍（即当ＲＢＷ ／ＲＢＷ：＝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３ｄＢ（１Ｏｌｏｇ２），而等效 噪声归一化１０１０ｇ１．２ＢｎＴ则会减少３ｄＢ （１０１ｏｇＲＢＷ１／ＲＢＷ２），故两者实测的相位噪 一３２一 频谱分析仪在相位噪声测量中的应用吴诚 ◇ ． ’．６”０’． Ｎｏ ｌＩ ：＝＝： ’ ” ‘ ｎＤ－ ２３ｄ■ Ｉ ．Ｉ．。 ｆｌ 。 Ｉ 。．Ｌ． Ｗ Ｗ ｙ 州 ｌ ｝ 图６相位噪声测试图（ＲＢＷ：１０Ｈｚ） 声值应该是一致的，测量误差应在０．３ｄＢ～ ０５ｄＢ的范围内变化。 ４．４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：频谱分析仪引人的测量 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 性引人的不确定度采用Ａ类评定方法。它们 的具体评定过程本文不再赘述，只是在表２中 给出了测试用主要设备频谱分析仪引人的测 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 航空与航天２００７年第１期 频谱分析仪在相位噪声测量中的应用吴诚 表２ 频谱分析仪引入的测量不确定度主要来 源及典型值 不确定来源 频谱分析仪的幅度（相 对）引入的不准确定度 等效噪声带宽测量计 算引入的不确定度 频谱分析仪频率响应 引入的不确定度 不确定度典型值（±ｄＢ） ０．及毫米波源的近载频相位噪声。 ｂ．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、最小分辨率带宽 等）的，该方法不能直接测量频谱纯净源 ４０～１．５ ０．２０ （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。 ０．２５～１．０ 频谱分析仪中频增益 引入的不确定度 噪声测量修正引入的 不确定度 噪声的随机性引入的 不确定度 ０．０５ ２０ ５０ ２０ Ｃ．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￡（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）。 ０．０．参考源引入的不确定 度（针对图２－ｂ） ０．频谱分析仪引入的不确定度典型值：（０．４３～１． １０）ｄＢ；（０．４５～１．１１）ｄＢ（针对图２．ｂ） 参考文献 ５结束语 ［１］时间频率测量原子能出版社 ［２］Ｅ５５０４Ｂ ＰＨＡＳＥＮＯＩＳＥ ＴＥＳＴ ＳＹＳＴＥＭ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］Ａｇｉｌｅｎｔ Ａｃａｄｅｍｙ ［３］ＰＮ９００２ ＰＵＬＳＥ ＴＯ ＰＵＰＬＥ ＲＡＤＡＲ ＳＴＡ— ＢＩＬＩＴＹ ＴＥＳＴＥＲ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ 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： ［４］ＪＪＦ一１９９９，测量不确定度评定与表示［ｓ］ ［５］Ｆｌｕｋｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．校准一理论与实践［Ｍ］ 中国测量出版社 ａ．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 一３３—
