信号发生器输出信号的相位噪声如何测量？

测量信号发生器输出信号的相位噪声是评估其频率稳定性和信号纯度的关键步骤，尤其在通信、雷达、精密测量等领域。相位噪声反映了信号频率或相位随时间的随机波动，通常以单边带相位噪声（SSB Phase Noise）表示，单位为dBc/Hz（相对于载波功率的分贝值每赫兹带宽）。以下是详细的测量方法、步骤及注意事项：

一、相位噪声测量原理

相位噪声的本质是信号频率或相位的随机抖动，导致频谱在载波频率附近出现“裙边”效应。测量时需分离载波功率与相位噪声功率，通过频谱分析或时域处理得到相位噪声谱密度。

• 数学定义：
  相位噪声 L(f) 在频率偏移 f 处的值为：

其中 Pnoise(f) 是频率偏移 f 处单位带宽内的噪声功率，Pcarrier 是载波功率。

二、常用测量方法

1. 直接频谱分析法（最常用）

原理：通过频谱分析仪直接观察信号频谱，测量载波附近噪声功率。
步骤：

1. 连接设备：
   • 将信号发生器输出通过低噪声放大器（LNA）连接至频谱分析仪输入端（若信号功率较低）。
   • 确保连接线缆损耗低（如使用半刚性电缆），避免引入额外噪声。
2. 设置频谱分析仪参数：
   • 中心频率：设为载波频率 f0。
   • 扫描宽度（Span）：覆盖需测量的频率偏移范围（如1kHz至10MHz）。
   • 分辨率带宽（RBW）：设为测量频率偏移的1/10至1/5（如测量10kHz偏移时，RBW=1kHz）。
   • 视频带宽（VBW）：设为RBW的1/10至1/3，以平滑噪声显示。
   • 检波方式：选择“平均值”或“RMS”检波，减少随机波动影响。
3. 测量噪声功率：
   • 记录载波功率 Pcarrier（频谱分析仪标记的载波峰值）。
   • 记录频率偏移 f 处的噪声功率密度 Pnoise(f)（需扣除频谱分析仪本底噪声）。
4. 计算相位噪声：
   • 根据公式 L(f)=10log10(PcarrierPnoise(f)) 计算结果。

优点：操作简单，适用于快速验证。
缺点：受频谱分析仪本底噪声限制，低偏移频率（如<1kHz）测量精度低。

2. 相位检测器法（高精度）

原理：通过相位检测器将待测信号与参考信号的相位差转换为电压，再经低通滤波和频谱分析得到相位噪声。
步骤：

1. 连接设备：
   • 将信号发生器输出作为待测信号（DUT）。
   • 使用高稳定度参考源（如铷原子钟或OCXO）生成与DUT同频的参考信号。
   • 将DUT和参考信号输入相位检测器（如ADI的AD8302）。
2. 相位检测与滤波：
   • 相位检测器输出与两信号相位差成正比的电压。
   • 通过低通滤波器（截止频率≤测量频率偏移）滤除高频成分，保留相位噪声引起的低频波动。
3. 频谱分析：

   • 将滤波后的电压信号输入频谱分析仪，测量其功率谱密度。

   • 转换为相位噪声：

其中 $ K_{phi} $ 为相位检测器的相位-电压转换系数（rad/V），$ V_{text{carrier}} $ 为载波对应的电压。

优点：可测量低偏移频率（如<1Hz）的相位噪声，精度高。
缺点：设备复杂，需高稳定度参考源和精确校准。

3. 交叉相关法（抑制本底噪声）

原理：通过两个独立测量通道的交叉相关运算，抑制系统本底噪声，提高测量灵敏度。
步骤：

1. 连接设备：
   • 将信号发生器输出分为两路，分别输入两个相位检测器（或频谱分析仪）。
   • 每路连接独立的参考源（或共用参考源但通过不同路径）。
2. 交叉相关处理：
   • 对两路测量结果进行交叉相关运算，消除共模噪声（如系统本底噪声）。
   • 保留与待测信号相关的相位噪声成分。
3. 计算相位噪声：
   • 根据相关结果计算相位噪声谱密度，公式与相位检测器法类似，但需考虑相关系数。

优点：可测量极低相位噪声（如-180dBc/Hz），适用于高精度场景。
缺点：设备复杂，需同步两个测量通道，计算量大。

三、关键测量参数设置

1. 分辨率带宽（RBW）

• 作用：决定频谱分析仪的频率分辨率和测量速度。
• 设置原则：
  • RBW应小于测量频率偏移的1/5（如测量10kHz偏移时，RBW≤2kHz）。
  • 过小的RBW会延长扫描时间，需权衡精度与速度。

2. 视频带宽（VBW）

• 作用：平滑噪声显示，减少随机波动。
• 设置原则：
  • VBW通常设为RBW的1/10至1/3（如RBW=1kHz时，VBW=100Hz至300Hz）。
  • 过大的VBW会降低测量精度，过小的VBW会延长显示更新时间。

3. 扫描时间（Sweep Time）

• 作用：决定频谱分析仪完成一次扫描所需的时间。
• 设置原则：

  • 扫描时间应满足RBW与扫描宽度的关系：Sweep Time≥RBW2k⋅Span，其中 k 为常数（通常取2-5）。

  • 过短的扫描时间会导致频谱失真，需通过自动调整功能优化。

四、误差分析与校准

1. 频谱分析仪本底噪声

• 影响：当待测信号相位噪声接近频谱分析仪本底噪声时，测量结果会偏高。
• 解决方法：
  • 使用外接低噪声前置放大器（LNA）提升信号功率。
  • 采用交叉相关法抑制本底噪声。

2. 参考源噪声

• 影响：相位检测器法中，参考源的相位噪声会叠加到测量结果中。
• 解决方法：
  • 使用高稳定度参考源（如铷原子钟或OCXO），其相位噪声应比待测信号低10dB以上。
  • 对参考源进行相位噪声校准，并在结果中扣除其贡献。

3. 连接线缆损耗

• 影响：线缆损耗会导致信号功率下降，影响测量精度。
• 解决方法：

  • 使用低损耗线缆（如半刚性电缆），并测量线缆损耗进行补偿。

  • 在信号发生器输出端直接测量（若允许），避免线缆影响。

五、典型测量案例

案例1：测量10MHz信号发生器的相位噪声

• 目标：测量10MHz信号在1kHz偏移处的相位噪声，要求精度≤±2dB。
• 方法：直接频谱分析法。
• 步骤：

  1. 连接信号发生器至频谱分析仪，中心频率设为10MHz。

  2. 设置RBW=1kHz，VBW=100Hz，扫描宽度=100kHz。

  3. 记录载波功率 Pcarrier=0dBm。

  4. 记录1kHz偏移处的噪声功率密度 Pnoise=−120dBm/Hz。

  5. 计算相位噪声：

• 结果：测量值与信号发生器规格书一致（标称值≤-125dBc/Hz），误差≤±2dB。

案例2：测量1GHz信号发生器的低偏移相位噪声

• 目标：测量1GHz信号在10Hz偏移处的相位噪声，要求精度≤±1dB。
• 方法：相位检测器法。
• 步骤：

  1. 使用铷原子钟作为参考源，生成1GHz参考信号。

  2. 将待测信号和参考信号输入相位检测器，输出电压经低通滤波器（截止频率=100Hz）后输入频谱分析仪。

  3. 设置频谱分析仪RBW=1Hz，VBW=0.1Hz，测量10Hz偏移处的电压噪声密度 Vnoise=10nV/Hz。

  4. 根据相位检测器系数 Kϕ=1V/rad，计算相位噪声：

• 结果：测量值与信号发生器规格书一致（标称值≤-175dBc/Hz），误差≤±1dB。

六、总结与建议

1. 方法选择：
   • 直接频谱分析法：适用于快速验证和中高偏移频率（>1kHz）测量。
   • 相位检测器法：适用于低偏移频率（<1kHz）和高精度测量。
   • 交叉相关法：适用于极低相位噪声（<-160dBc/Hz）测量。
2. 关键参数：
   • RBW：需小于测量频率偏移的1/5。
   • VBW：设为RBW的1/10至1/3。
   • 参考源稳定性：需比待测信号高10dB以上。
3. 长期维护：
   • 定期校准频谱分析仪和相位检测器，确保测量精度。
   • 监测参考源的相位噪声随时间的变化（如OCXO的老化效应）。