詳解：附加相位噪聲測試技術(shù)及測試過程注意事項

1引言

相位噪聲是頻率源和頻率控制器件的一個重要指標。頻率源相位噪聲的測試是時間頻率專業(yè)計量測試人員經(jīng)常進行的工作，有大量文章介紹，但是頻率控制器件的相位噪聲即附加相位噪聲的測試卻很少有文章提及。本文簡單介紹了相位噪聲的定義，詳細介紹了附加相位噪聲的測試過程，給出了實際的測試結(jié)果，指出了附加相位噪聲測試過程中的一些注意事項，希望對附加相位噪聲測試人員有一定的借鑒意義。

2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(jié)果量并非上述定義的譜密度，而是信號調(diào)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(shù)研究院NIST對有關(guān)特征量的規(guī)定，單邊帶相位噪聲作為頻率穩(wěn)定度的頻域表征量。

3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(diào)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。

4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(yīng)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(wěn)定、低噪聲的精密頻率源，如原子頻率標準、高穩(wěn)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(diào)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。

4.1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

4.2測量步驟

(1)測量準備

按圖連接儀器，加電預(yù)熱，預(yù)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(yīng)該最小，并選用調(diào)幅噪聲小的頻率源。

(2)系統(tǒng)定標

系統(tǒng)定標就是測量相位檢波系數(shù)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(guān)系。系統(tǒng)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(shè)置頻率綜合器的輸出頻率為f0+fb(fb可設(shè)置為小于100kHz的任意低頻頻率，典型應(yīng)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?yún)⒖驾斎攵耍惶娲男盘柾纺┒思?0Ω終端負載，測量系統(tǒng)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(shù)Kb的數(shù)值等于fb的電壓峰值。

(3)正交與測量

調(diào)節(jié)移相器使直流電壓表讀數(shù)為零，即系統(tǒng)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(shù)據(jù)的校正

邊帶電平的測量值Pm需加以下三項校正因子:

4.3測試結(jié)果示例

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

圖2附加相位噪聲實測結(jié)果示例

4.4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(jīng)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(tǒng)和HP3048A相位噪聲測試系統(tǒng)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(tǒng)的本底噪聲，確保測試系統(tǒng)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(tài)功放的相位噪聲就比信號源的相位噪聲好很多。

5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(jīng)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(jié)果幾乎看不出來放大器對信號源的惡化。

經(jīng)過分析測試結(jié)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。

6結(jié)束語

頻率控制器件的附加相位噪聲指標越來越受到重視，正確的測試該項指標是評價頻率控制器件性能的一個重要因素。本文詳細介紹了頻率控制器件附加相位噪聲的測試過程，給出了實際的測試結(jié)果，指出了附加相位噪聲測試過程中的一些注意事項，希望對附加相位噪聲測試人員有一定的借鑒意義。