如何描述相位噪声的大小 相位噪声测试和意义

相位噪声测试的意义

相位噪声（Phase noise）通常是指各类频率源在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化。它是衡量各类频率源（晶振，原子钟，锁相环）频率稳定质量的重要指标，在信号处理中，相位噪声是波形相位中随机波动的频域表示，对应于与完美周期性（抖动）的时域偏差。一般来说，射频工程师谈论振荡器的相位噪声，而数字系统工程师则处理时钟的抖动。

随着频率源技术和性能的不断提升，相应的噪声量级也越来越下，因为对相对噪声谱的测量要求也越来越高。

如何描述相位噪声的大小呢？如下图一所示，在偏移中心频率一定范围内，单位带宽内的功率与总信号功率的比，单位为dBc/Hz。

图一 相位噪声的定义

相位噪声测试方法

如果被测器件（DUT）的相位噪声相对于频谱分析仪的本地振荡器较大，则可以使用频谱分析仪测量相位噪声。基于频谱分析仪的测量可以显示几十个倍频程范围内的相位噪声功率；例如1Hz到1GHz偏移。

当DUT的相位噪声很低时，频谱分析仪就无法满足测试需要了，这时，相位噪声测试仪可以作为频谱分析仪的替代品。相位噪声测试仪允许测量残余（相加）噪声和绝对噪声。此外，还可以在载波附近进行低噪声测量。

现代化的相位噪声测试仪，不仅仅可以进行相位噪声测量，还可以进行调幅噪声测试，并将相位噪声测试结果转换为一定积分区间内的随机抖动测试结果。如下图二所示，在同一个测试界面内，既可以对OCXO的相位噪声进行测量并显示（黄色曲线），也可以显示调幅噪声测试结果（蓝色曲线），并在下方显示区域钟显示随机抖动测试结果（Jitter）

图二 基于FSWP相位噪声测试仪的测试结果显示

频谱仪法测试相位噪声均基于频谱测试的结果进行相位噪声的计算，该测试法无法区分调幅噪声和相位噪声，灵敏度受仪器固有相位噪声限制，无载波抑制，测量范围受分辨率滤波器形状因子限制， 动态范围有限等缺点。 

在用单路硬件通道进行相位噪声测试过程中，仪器内部器件都会引入额外噪声。所以最后测试到的相位噪声实际是包含这些噪声因素的。如果被测件的相位噪声比较高，这些因素对结果的影响比较小。但是如果被测件本身的相位噪声很低，那我们不得不考虑这些因素。互相关法通过引入第二个支路，并且采取数学运算的方式，可以进一步提高相位噪声的测试灵敏度。这也是相位噪声分析仪多采用的测试方法。

图三 互相关法相位噪声测试原理

结 语

使用频谱仪法进行相位噪声测试时，虽然测试精度受仪器自身指标影响，但测试设置简单、快捷，频率偏移范围大，可测试很多信号源的特性，比如：杂散发射、邻信道功率泄漏、高次谐波，并且可以直接显示相位噪声曲线（当调幅噪声忽略不计时）。使用相位噪声测试仪可以避免频谱仪法的限制，不仅可以测试灵敏度，还可以进行调幅噪声测试，也是目前业界最主流的相位噪声测试方法之一。

审核编辑：黄飞