如何進行放大器噪聲測試

相位噪聲測量對于確定本振、混頻器和放大器等射頻組件的短期頻率穩定性至關重要。在雷達和數字通信系統領域，從業工程師需要快速且精準地測量相位噪聲，以此加速產品的開發進程，確保系統性能達到最優。

相位噪聲的定義

在維基百科中，相位噪聲被定義為“時域不穩定性（抖動）致使波形在相位上產生快速、短期且隨機的波動，這種波動在頻域中的呈現即為相位噪聲”。這里“噪聲”一詞明確表明，它并非指雜散或確定性波動。而“短期”的界定，是為了與確定時鐘源純凈度時所采用的其他方法相區分，例如以百萬分之幾（ppm）為單位的穩定度測量，后者通常是在更長的時間尺度，如秒或分鐘級別上進行。

理想與真實信號在時域和頻域的對比

在頻域中，理想信號表現為離散的譜線。然而，真實信號并非如此，由于隨機幅度和相位波動的影響，它以調制邊帶的形式，在高于和低于標稱信號頻率處形成譜線的擴展。

相位噪聲在時域表現為相位的抖動，其根源在于振蕩器的相位不穩定性；在頻域則表現為載波的噪聲邊帶，這種噪聲邊帶會淹沒近載波端的小信號。

應用指南

相位噪聲反映了振蕩源在特定時間段內產生相同頻率的精準程度。針對短期頻率穩定性，工程師主要測量信號頻率在秒級時間內的變化情況。

如圖所示，理想振蕩器產生的純正弦波不包含相位噪聲，在頻域中呈現為清晰的單根譜線。

但在現實世界中，振蕩器的相位噪聲會使信號功率向相鄰頻率擴散，如圖中紅線所示，信號能量不再集中于單一頻率點，而是分布在一定頻率范圍內。

相位噪聲的測量方法

單邊帶（SSB）相位噪聲 L(f) 是衡量相位噪聲的關鍵指標，它指的是載波特定偏移頻率處的功率密度與載波信號總功率的比率，如圖所示。

相位噪聲測量采用相對于載波的偏移頻率 fm。由于噪聲能量邊帶對稱地分布在載波周圍，因此只需在單邊帶上進行測量即可獲取相位噪聲信息。通常在 1 Hz 測量帶寬中測量噪聲能量的功率譜密度，結果以 dBc/Hz 為單位。

絕對相位噪聲

絕對相位噪聲是指由 1 端口器件（例如振蕩器）產生的相位噪聲，如圖所示。對于諸如 Keysight 信號發生器這類設備，絕對相位噪聲是其關鍵性能指標之一，直接反映了信號發生器輸出信號的純凈度和穩定性。

殘余相位噪聲

殘余相位噪聲（或加性噪聲）是指多端口設備（如放大器）在工作過程中添加到信號中的噪聲，如圖所示。為了準確測量多端口設備的噪聲貢獻，殘余噪聲測量需要有效消除源噪聲的影響，從而精確評估設備自身引入的噪聲水平。

相位噪聲對系統的影響

對雷達系統的影響

當目標超低空飛行時，雷達會面臨強烈的地面雜波干擾。要從強地雜波中準確提取信號目標，雷達必須具備很高的改善因子。因為這些雜波進入接收機并經過混頻處理后，很難將有用信號與強地物反射波分離開來，尤其是對于低速度運動目標且接近地面時，目標檢測難度極大。

然而，發射信號上的相位噪聲會掩蓋目標多普勒信號，如圖所示。與靜止物體的雜波相比，移動目標信號的回波幅度較小。雖然濾波技術可以有效消除雜波，但對于隨機噪聲卻無能為力，這可能導致目標被遺漏，降低雷達檢測的準確性。

對數字通信系統的影響

在數字通信系統中，數字發射機和接收機中的相位噪聲會導致誤碼率（BER）增加，嚴重影響通信質量。圖 展示了數字通信系統的基本框圖。該系統中的相位噪聲會引發符號偏移、頻譜再生和信道干擾等一系列問題。  

符號偏移會直接導致檢測錯誤。隨著信號功率的增加，I 和 Q 幅度增大，符號會擴散到距離原本點位更遠的地方，如圖中綠色所示。而高階調制格式意味著更窄的符號決策邊界，如圖中黑色網格線所示。因此，符號偏移會顯著增加高階調制格式的符號錯誤率和誤碼率，降低通信系統的可靠性。

相位噪聲分析儀

相位噪聲分析儀的靈敏度是指儀器能夠準確測量的最低相位噪聲水平。為了提高測量準確性，工程師通常采用交叉頻譜平均（也稱為互相關）技術來消除儀器自身噪聲的干擾。但這種方法會增加測試時間，因此需要在測量準確性和測試效率之間尋求平衡。

初始靈敏度和儀器通過互相關降低本底噪聲的速度是衡量相位噪聲分析儀質量的重要指標。儀器的系統噪聲應低于被測設備（DUT）的噪聲，工程師通常要求有 10 dB 以上的余量，以確保測量結果的可靠性。

相位噪聲測量挑戰

精確的相位噪聲測量面臨諸多挑戰，需要低噪聲源、復雜的測量設置、快速的互相關方法以及在絕對和殘余相位噪聲測量設置之間靈活切換的能力。此外，開發人員通常還需要更多的分析方法，如雜散搜索和瞬態分析等，以實現對器件的全面表征。

Keysight E505xA SSA - X 架構為相位噪聲測量提供了卓越的速度和靈敏度。SSA - X 信號源分析儀提供高達 54 GHz 的一體化相位噪聲測量解決方案，該綜合測量平臺不僅支持高靈敏度的絕對和殘余相位噪聲分析，還具備多種測量應用功能，包括 VCO 表征、頻率瞬態分析和頻譜分析等，如圖所示。

SSA - X 采用 IQ 解調技術來測量相位噪聲。信號通過內部功率分配器進行分離，并下變頻至中頻（IF）。利用具有低相位噪聲本地振蕩器（LO）的相同測量接收機實現互相關操作。IQ 解調器允許同時測量相位噪聲和 AM 噪聲，頻率范圍高達 30 MHz；當偏移超過 30 MHz 后，儀器將測量相位噪聲與 AM 噪聲之和。

相位噪聲測試方法

傳統上，相位噪聲測量采用相位檢波器測量方法，通過從信號源中減去載波和噪聲，僅測量被測設備（DUT）的噪聲。而 SSA - X 架構則運用數字信號處理技術來消除源信號和本地振蕩器（LO）信號，從而顯著提高了相位噪聲測量的速度和靈敏度，如圖所示。這一創新技術為相位噪聲測量帶來了更高的效率和準確性，推動了射頻組件測試技術的發展。