如何进行放大器噪声测试

相位噪声测量对于确定本振、混频器和放大器等射频组件的短期频率稳定性至关重要。在雷达和数字通信系统领域，从业工程师需要快速且精准地测量相位噪声，以此加速产品的开发进程，确保系统性能达到最优。

相位噪声的定义

在维基百科中，相位噪声被定义为“时域不稳定性（抖动）致使波形在相位上产生快速、短期且随机的波动，这种波动在频域中的呈现即为相位噪声”。这里“噪声”一词明确表明，它并非指杂散或确定性波动。而“短期”的界定，是为了与确定时钟源纯净度时所采用的其他方法相区分，例如以百万分之几（ppm）为单位的稳定度测量，后者通常是在更长的时间尺度，如秒或分钟级别上进行。

理想与真实信号在时域和频域的对比

在频域中，理想信号表现为离散的谱线。然而，真实信号并非如此，由于随机幅度和相位波动的影响，它以调制边带的形式，在高于和低于标称信号频率处形成谱线的扩展。

相位噪声在时域表现为相位的抖动，其根源在于振荡器的相位不稳定性；在频域则表现为载波的噪声边带，这种噪声边带会淹没近载波端的小信号。

应用指南

相位噪声反映了振荡源在特定时间段内产生相同频率的精准程度。针对短期频率稳定性，工程师主要测量信号频率在秒级时间内的变化情况。

如图所示，理想振荡器产生的纯正弦波不包含相位噪声，在频域中呈现为清晰的单根谱线。

但在现实世界中，振荡器的相位噪声会使信号功率向相邻频率扩散，如图中红线所示，信号能量不再集中于单一频率点，而是分布在一定频率范围内。

相位噪声的测量方法

单边带（SSB）相位噪声 L(f) 是衡量相位噪声的关键指标，它指的是载波特定偏移频率处的功率密度与载波信号总功率的比率，如图所示。

相位噪声测量采用相对于载波的偏移频率 fm。由于噪声能量边带对称地分布在载波周围，因此只需在单边带上进行测量即可获取相位噪声信息。通常在 1 Hz 测量带宽中测量噪声能量的功率谱密度，结果以 dBc/Hz 为单位。

绝对相位噪声

绝对相位噪声是指由 1 端口器件（例如振荡器）产生的相位噪声，如图所示。对于诸如 Keysight 信号发生器这类设备，绝对相位噪声是其关键性能指标之一，直接反映了信号发生器输出信号的纯净度和稳定性。

残余相位噪声

残余相位噪声（或加性噪声）是指多端口设备（如放大器）在工作过程中添加到信号中的噪声，如图所示。为了准确测量多端口设备的噪声贡献，残余噪声测量需要有效消除源噪声的影响，从而精确评估设备自身引入的噪声水平。

相位噪声对系统的影响

对雷达系统的影响

当目标超低空飞行时，雷达会面临强烈的地面杂波干扰。要从强地杂波中准确提取信号目标，雷达必须具备很高的改善因子。因为这些杂波进入接收机并经过混频处理后，很难将有用信号与强地物反射波分离开来，尤其是对于低速度运动目标且接近地面时，目标检测难度极大。

然而，发射信号上的相位噪声会掩盖目标多普勒信号，如图所示。与静止物体的杂波相比，移动目标信号的回波幅度较小。虽然滤波技术可以有效消除杂波，但对于随机噪声却无能为力，这可能导致目标被遗漏，降低雷达检测的准确性。

对数字通信系统的影响

在数字通信系统中，数字发射机和接收机中的相位噪声会导致误码率（BER）增加，严重影响通信质量。图 展示了数字通信系统的基本框图。该系统中的相位噪声会引发符号偏移、频谱再生和信道干扰等一系列问题。  

符号偏移会直接导致检测错误。随着信号功率的增加，I 和 Q 幅度增大，符号会扩散到距离原本点位更远的地方，如图中绿色所示。而高阶调制格式意味着更窄的符号决策边界，如图中黑色网格线所示。因此，符号偏移会显著增加高阶调制格式的符号错误率和误码率，降低通信系统的可靠性。

相位噪声分析仪

相位噪声分析仪的灵敏度是指仪器能够准确测量的最低相位噪声水平。为了提高测量准确性，工程师通常采用交叉频谱平均（也称为互相关）技术来消除仪器自身噪声的干扰。但这种方法会增加测试时间，因此需要在测量准确性和测试效率之间寻求平衡。

初始灵敏度和仪器通过互相关降低本底噪声的速度是衡量相位噪声分析仪质量的重要指标。仪器的系统噪声应低于被测设备（DUT）的噪声，工程师通常要求有 10 dB 以上的余量，以确保测量结果的可靠性。

相位噪声测量挑战

精确的相位噪声测量面临诸多挑战，需要低噪声源、复杂的测量设置、快速的互相关方法以及在绝对和残余相位噪声测量设置之间灵活切换的能力。此外，开发人员通常还需要更多的分析方法，如杂散搜索和瞬态分析等，以实现对器件的全面表征。

Keysight E505xA SSA - X 架构为相位噪声测量提供了卓越的速度和灵敏度。SSA - X 信号源分析仪提供高达 54 GHz 的一体化相位噪声测量解决方案，该综合测量平台不仅支持高灵敏度的绝对和残余相位噪声分析，还具备多种测量应用功能，包括 VCO 表征、频率瞬态分析和频谱分析等，如图所示。

SSA - X 采用 IQ 解调技术来测量相位噪声。信号通过内部功率分配器进行分离，并下变频至中频（IF）。利用具有低相位噪声本地振荡器（LO）的相同测量接收机实现互相关操作。IQ 解调器允许同时测量相位噪声和 AM 噪声，频率范围高达 30 MHz；当偏移超过 30 MHz 后，仪器将测量相位噪声与 AM 噪声之和。

相位噪声测试方法

传统上，相位噪声测量采用相位检波器测量方法，通过从信号源中减去载波和噪声，仅测量被测设备（DUT）的噪声。而 SSA - X 架构则运用数字信号处理技术来消除源信号和本地振荡器（LO）信号，从而显著提高了相位噪声测量的速度和灵敏度，如图所示。这一创新技术为相位噪声测量带来了更高的效率和准确性，推动了射频组件测试技术的发展。