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頻譜分析系列:如何準確測試相位噪聲

2020-04-29 來源:微波射頻網作者:海川 我要評論(0) 字號:

缅甸玉和国际相位噪聲是表征CW信號頻譜純度的非常重要的參數,衡量了信號頻率的短期穩定度。通常所說的相噪為單邊帶(SSB) 相位噪聲,相噪的好壞對于系統的性能至關重要!

· 對于終端通信而言,如果接收機LO的相噪較差,且在信道附近存在較強的單音干擾時,在下變頻過程中因交叉調制將導致信道內的噪聲增加,從而惡化信噪比,嚴重時將無法進行正常通話!

· 對于衛星通信而言,如果發射機LO的相噪較差,將直接惡化數字調制信號的質量,星座圖模糊,EVM變差,從而影響有效的數據傳輸!

· 缅甸玉和国际對于雷達而言,如果整機的LO相噪較差,將導致部分目標的微弱回波信號淹沒在強回波信號的邊帶中,從而無法正常檢測!

由此可見,相噪性能是保證系統性能的重要前提!

缅甸玉和国际因此,在設備研制階段,通過合適的測量手段檢驗相噪性能是非常重要的一個工作環節。如何檢驗信號的相噪性能呢?

對于相位噪聲的測試,目前業界常用的方法包括:基于頻譜儀的測試方法和基于鑒相器的測試方法。使用頻譜儀測試相噪又可分為,直接標定法和使用專門的相噪選件進行自動化測試。直接標定法即手動測試,經濟實惠,但是操作相對繁瑣;使用相噪選件自動化測試操作方便,可以直接給出相噪曲線,但是需要購買!至于基于鑒相器方法的設備,屬于更加專業的相噪測試設備,測試能力更強,當然也是價格不菲的。

如果在研發階段,只是要檢驗某些頻偏處的相噪,而不要求直接得到相噪曲線,可以考慮使用頻譜儀直接標定信號相噪,直接標定法也是下面要重點介紹的內容。

本文將首先介紹相噪的定義,然后介紹影響頻譜儀相噪測試能力的因素,最后將給出手動測試相噪的關鍵步驟及注意事項。

相位噪聲是如何定義的?

相噪的定義是大家所熟知的,如圖1所示,在距離載波fc 一定頻偏處的噪聲功率譜密度與載波功率的比值即為相位噪聲,通常是指單邊帶相位噪聲(SSB PN),單位為dBc/Hz。“c”可以理解為載波carrier,意思是相對載波的電平。類似地,在描述諧波失真度時通常也采用單位dBc。

對于理想的CW信號,其頻譜為單根譜線,而實際上由于相位噪聲的存在,使得其頻譜具有圖1所示的邊帶,距離載波越遠,邊帶幅度越小,意味著相位噪聲也越好。

相位噪聲的存在,使得信號的相位是隨機波動的。之所以信號具有圖1所示的邊帶,是因為相位噪聲相當于寬帶噪聲對信號進行了相位調制!當然,信號的幅度也是存在波動的,相當于寬帶噪聲對信號進行了幅度調制,這部分噪聲稱為調幅噪聲。相位噪聲和調幅噪聲并存,使得信號具有一定的邊帶。

實際上,按照上述定義得到的相噪測試結果既包含了相位噪聲,也包含了調幅噪聲,通常調幅噪聲相對于相位噪聲要小得多,可以忽略,因此也就將測試結果當作相位噪聲了。基于頻譜儀的相噪測試,無論是直接標定還是自動化測試,都是這種情形。如果要分離出相位噪聲和調幅噪聲,只能采用鑒相測試方法了。

缅甸玉和国际值得一提的是,能夠分離相位噪聲和調幅噪聲只是鑒相器測試法的特性之一,鑒相器法的最主要目的是為了改善相噪測試靈敏度,提高相噪測試能力!

頻譜分析系列:如何準確測試相位噪聲

圖1. 單邊帶相位噪聲的定義

決定頻譜儀相噪測試能力的因素有哪些?

曾經有過這樣的困惑,頻譜儀怎么會有相噪的指標,相噪不是信號源的指標嗎?后來才明白,頻譜儀的相噪其實是內部LO信號的相噪,而且它決定了頻譜儀近端相噪的測試能力。頻譜儀自身的相噪越低,則相噪測試能力越強!

缅甸玉和国际頻譜儀自身的相噪是如何影響其相噪測試能力的呢?

以圖2為例,假設RF信號是理想的,LO信號具有一定的邊帶,在下變頻過程中,除了將RF信號變頻至IF外,LO信號的邊帶也會一起搬移至IF。混頻器實際上起到乘法器的作用,RF信號與LO信號相乘實現下變頻的同時,也會與LO信號邊帶包含的頻率成分相乘,從而使得邊帶也變頻至IF附近。有的文獻將此稱為互易混頻,互易混頻使得LO信號的邊帶搬移至IF。

近端相噪測試通常只關注1MHz頻偏范圍內的相噪,考慮雙邊帶時,對應的是fc± 1MHz范圍內的邊帶。對于混頻器而言,可以認為在2MHz這么窄帶寬內的變頻損耗是恒定的,這意味著對于圖2所示的例子,IF信號的相噪與LO信號的相噪是相同的!這個相噪就是頻譜儀自身的相噪“底噪聲”,一般稱為相噪測試靈敏度,決定了頻譜儀的相噪測試能力。

缅甸玉和国际如果待測信號的相噪低于頻譜儀自身的相噪,當然是測不出信號真實的相噪水平。檢定頻譜儀相噪指標時,一般會選擇一臺相噪更好的信號源,相噪測試結果能夠反映出頻譜儀自身的水平。

如果要準確測試信號的相噪,則要求頻譜儀自身相噪比待測信號好很多,按照經驗,至少優異10dB以上,才能保證測試精度!

頻譜分析系列:如何準確測試相位噪聲

圖2. LO的相噪因互易混頻搬移至IF輸出信號

以上介紹了影響近端相噪測試能力的因素,隨著頻偏的不斷增大,LO信號的相噪也是逐漸降低的,此時決定儀表相噪測試能力的因素可能不再是LO的相噪,而是儀表的底噪聲。

如何判斷頻譜儀底噪聲是否影響遠端相噪測試呢?

有兩種方法可以嘗試:

(1) 降低信號功率,觀測遠端邊帶是否也跟隨降低,如果沒有變化,說明底噪聲確實影響遠端相噪測試;如果遠端邊帶也隨之降低,則說明底噪聲帶來的影響很小。

(2) 直接關閉信號,保證頻譜儀其它設置不變,對比此時的底噪聲與關閉信號之前的遠端邊帶功率的大小。如果底噪聲低于遠端邊帶功率(建議10dB以上),則對測試影響較小;如果底噪聲與遠端邊帶持平,則必然會影響測試結果!

如果底噪聲影響了遠端相噪測試,如何解決呢?

可以在一定程度上增大信號功率,因為信號功率越高,邊帶功率也隨之提高,使其高出底噪一定水平,從而保證測試精度。但不能導致頻譜儀過載,否則將擾亂測試結果,必要時,可以使用陷波器抑制載波信號。

或者選擇底噪聲更低的頻譜儀進行測試!

如何使用直接標定法準確測試相噪?

缅甸玉和国际了解影響頻譜儀相噪測試能力的因素之后,下面介紹一下如何使用直接標定法測試信號的相噪。

這里不涉及頻譜儀具體的操作,只給出關鍵的測試步驟及注意事項。

缅甸玉和国际為了提高相噪測試精度,建議適當提高信號功率,以得到更高的邊帶功率,推薦信號功率在±5dBm范圍之內,太強可能導致頻譜儀過載。

直接標定法操作步驟(推薦) :

Step 1設置合適的中心頻率和Span,使得能夠顯示信號頻譜并覆蓋需要測試的頻偏范圍。

Step 2將頻譜儀射頻前端衰減度設置為0dB,以降低底噪,提高相噪測試精度,這一點對于遠端相噪測試尤為重要。

Step 3將頻譜儀的顯示檢波器類型選擇為RMS檢波器,這個在之前的文章“如何選擇顯示檢波器”中已有說明,為了得到更加穩定的測試結果,可以考慮增大掃描時間。

Step 4設置合適的RBW,RBW并不是越小對測試越有利,降低RBW并不會改善遠端相噪測試能力,因為底噪降低的同時,邊帶功率也會降低,而且RBW太小,速度太慢。但是當測試近端相噪時,比如頻偏100kHz以內,RBW需要設置小一點,以對載波信號充分抑制,否則會嚴重影響相噪測試能力!

缅甸玉和国际近端相噪測試過程中,可以通過逐步降低RBW來選擇合適的值,降低RBW的過程中,當相噪測試結果不再降低時,選取此時的RBW即可。

Step 5確定載波信號功率及待測頻偏處的噪聲功率譜密度,以計算相位噪聲。

通過Marker功能很容易確定載波信號功率PC,當然也很容易確定待測頻偏處的功率PSSB,則噪聲功率譜密度可通過下式計算:

PSD=PSSB - 10lg(RBW ) (dBm/Hz )

則相噪測試結果為

PN=PSD - PC (dBc/Hz )

目前業界大部分頻譜儀都支持使用Marker直接測試功率譜密度,再通過顯示Marker的delta mode便可以直接顯示相噪結果,這樣就省去了上述計算步驟,使用非常方便!

以上便是要給大家分享的內容,希望對大家有所幫助~~

小文雖短但不乏精華,希望大家持續關注“微波射頻網”,后續精彩不斷~

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