注意啦！專家正解附加相位噪聲測試技術

作為頻率控制器及頻率源的指標——相位噪聲，其測試是時間頻率專業計量測試人員經常進行的工作。本文著重講述了相位噪聲的定義及測試過程，給出了實際的測試結果，指出了附加相位噪聲測試過程中的一些注意事項。
頻率源相位噪聲的定義

頻率源的輸出信號，一般可表示為：


在相位噪聲測量中，實際的測試結果量并非上述定義的譜密度，而是信號調制邊帶功率與總信號功率之比


按照國際上早年推薦的定義和近些年美國國家標準技術研究院NIST對有關特征量的規定，單邊帶相位噪聲作為頻率穩定度的頻域表征量。

頻率控制器件附加相位噪聲的定義

頻率控制器件附加相位噪聲又稱兩端口部件噪聲或剩余噪聲。當信號通過兩端口部件時，噪聲以線性相加或相乘（調制）的形式加到信號上。兩端口部件包括放大器、分頻器、濾波器、倍頻器等。

附加相位噪聲的測量

附加相位噪聲的測量采用相位檢波器法。

相位檢波器法是一種應用最廣泛、靈敏度高、分析范圍寬的相位噪聲測量方法。它因用相位檢波器把信號的相位起伏變換為電壓起伏，然后用頻譜分析儀測得Sφ（f）而得名。又因此法利用了相位檢波器的兩輸入信號處于90°相差時，對信號相位敏感的特性，所以又稱為正交檢相法。還因此法必須有一個參考頻率源，也稱為雙源法或有源法。這種測量方法用于測量高穩定、低噪聲的精密頻率源，如原子頻率標準、高穩晶振、低噪聲頻率綜合器、鎖相源以及各種頻率控制器件。

相位檢波器法測試附加相位噪聲的基本測試原理是將被測信號分成兩路進行檢相，當兩路信號正交且電長度相等或近似相等時，調幅噪聲和源的噪聲被充分抑制，檢相器的輸出反映的就是被測頻率控制器件的附加相位噪聲。


測量框圖

附加相位噪聲測量框圖如圖1所示。


圖1附加相位噪聲測量框圖

測量步驟

（1）測量準備

按圖連接儀器，加電預熱，預熱時間按儀器說明書要求。注意功分器至相位檢波器的兩個信號通路的延遲差應該最小，并選用調幅噪聲小的頻率源。

（2）系統定標

系統定標就是測量相位檢波系數Kφ，確定輸入信號的相位起伏和相位檢波器輸出電壓起伏之間的關系。系統定標有兩種常用方法，正負直流峰值法和差拍法。
正負直流峰值法。調節移相器，觀察正交指示器，使相位檢波器輸出的直流電壓達到正峰值，用Umax表示，再調節移相器，使電壓達到負峰值，用Umin表示，則
Kφ=（Umax-Umin）/2
差拍法。用功率計測量參考輸入端功率；設置頻率綜合器的輸出頻率為f0 + fb（fb可設置為小于100kHz的任意低頻頻率，典型應用為1kHz），輸出功率與參考輸入端功率相等。替代原參考信號接入參考輸入端，被替代的信號通路末端加50Ω終端負載，測量系統測量檢相器輸出的差拍信號fb的電壓峰值，則相位檢波常數K的數值等于fb的電壓峰值。

（3）正交與測量

調節移相器使直流電壓表讀數為零，即系統正交，用頻譜分析儀測得偏離載頻f處邊帶電平值Pm.

（4）測量數據的校正

邊帶電平的測量值Pm需加以下三項校正因子：
測試結果示例

圖2為我們對固態功率放大器的實際測試結果。圖中最下面的一條曲線為PN9000相位噪聲測試系統的本底噪聲，上面的三條曲線為重復進行三次測量的結果。



圖2附加相位噪聲實測結果示例

注意事項

（1）在保持正交的前提下，盡量使相位檢波器兩路輸入信號經歷的電長度相等，這時源的噪聲在相位檢波器中互相抵消，測得的相位噪聲即為被測頻率控制器件的相位噪聲。
（2）目前只有帶附加相位噪聲選件的PN9000相位噪聲測試系統和HP3048A相位噪聲測試系統才具有附加相位噪聲測試功能。
（3）測試頻率控制器件的附加相位噪聲之前，一般要先測量系統的本底噪聲，確保測試系統工作正常。
（4）頻率控制器件的相位噪聲一般都要比信號源的相位噪聲好，我們測試的固態功放的相位噪聲就比信號源的相位噪聲好很多。


表1附加相位噪聲實測數據

放大器對信號惡化程度的說明

對放大器的附加相位噪聲測試，筆者曾經嘗試先測量信號源的相位噪聲，再測量接入放大器之后信號源的相位噪聲，以放大器對信號源的相位噪聲的惡化程度來表征放大器的性能，但是結果幾乎看不出來放大器對信號源的惡化。

經過分析測試結果是真實的，這種測試方法測試的是放大器和信號源的相位噪聲之和，放大器對信號源相位噪聲的影響可由下式給出：

e（dB）= 10lg[1 + 10-d/10]
d為放大器和信號源相位噪聲的差值。放大器對信號源相位噪聲的惡化見表2.


表2相位噪聲惡化值

當放大器的附加相位噪聲指標遠好于信號源的相位噪聲指標時，這種方法不適宜用于測量放大器的附加相位噪聲。