一种新型的相位噪声测试仪

用于无线传输的收发模块的性能主要决定于所用本振的相位噪声。因此模块特性的准确测量，特别是相位噪声的测量，是进行有效通信和广播的基本保证，在雷达系统等特殊的高科技领域应用中也是如此。在普通的相位噪声测量应用中，一台频谱分析仪通常可以满足测试要求。但是，如果需要更大的动态范围、更高的测量精度以及更多的灵活性时，基于锁相环（PLL）的测量方法测量相位噪声更加适合。R&S（罗德与施瓦茨公司）的信号源分析仪FSUP便在一台仪表上集合了这两种功能：它既提供给用户一台频率可高达50GHz的顶级频谱分析仪（R&S FSUP），同时具备了基于锁相环测量方法的相位噪声测量功能。

图1 R&S FSUP将频谱仪和基于锁相环测试方法的相噪测试仪集于一体

基于锁相环法测量相位噪声

通常，基于锁相环法测量相位噪声非常复杂，而测量的校准工作更为麻烦。不过，FSUP为客户大大地简化了整个测量步骤，使得相位噪声的测量只需一个按键。此外，该仪器也能提供灵活的设置以满足特殊的测量需要。用户可以选择外部或内部参考源，也可以选择调整任一个源使它们在比较器中相位正交。然而，更多的应用是利用内部比较器和内部参考源进行测量， FSUP将这样的测量方式设置为默认方式，当然用户也可通过菜单方便地选择其他测量方式。

如果像需要外部参考源和外部比较器这样相对复杂的测量设置时， FSUP会提供框图帮助。屏幕中会显示连接框图，指导用户如何连接不同的模块。而前面板上的发光二极管会指示应该连接哪个输出和输入口。

仪器中的预测量功能会测量振荡器的所有重要参数，比如功率和调谐斜度等。然后FSUP将自动选择理想的测量参数。根据输入频率的不同，仪器利用内部的频率倍频器使内部参考源工作在一个理想的范围内。同时，用户也可以改变预置的参数。

图2 利用鉴相器法测量相位噪声，信号频率、电平及残余噪声可以同时显示，无关的杂散可以自动检测也可以消除，如果需要也可以把杂散以列表的形式显示，同时可以得到杂散的准确频率值。

图3 内部源相对于不同输入频率的相位噪声[page]

图4 互相关技术提高相位测量的灵敏度的原理

频率偏移范围以及其他一些测量设置参数，像带宽、滤波器类型、平均次数等都很容易设置，操作非常简单。当需要快速测量或者是固定的测量时，预设定更易于操作。

当开始测量相位噪声时，显示屏上会显示“Locked”或者“Unlocked”以表明锁相环是否已经锁定，如果锁定则测量可以开始。环路带宽可以根据需要而改变，同时在测量过程中鉴相器的电压输出会在显示屏上显示。基于有效的运算，使得用户可以选择以下其一功能：在测量过程中显示所有的杂散分量（像由交流频率干扰或鉴相频率引起的杂散）；或者是消除所有的或特定指明的干扰分量。同时，FSUP也可以显示完整的参数（像残余调频/调相或者是RMS抖动等）。计算范围在整个测试范围内，而综合限制可以由用户来设置。

为了保证能准确测量振荡器的相位噪声，内部参考源的相位噪声相对于被测件来说必须要小到可以忽略的程度。R&S FSUP的内部参考源提供极好的相位噪声特性以满足测试的需求。在输出频率为640MHz、偏离载波10kHz时相位噪声仅为-136dBc，偏离载波10MHz时为-165dBc。

利用互相关技术降低相位噪声

安装FSUP-B60选件后，信号源分析仪就配备了两路平衡接收通道。这种对称的结构可以对两路通道进行相关运算，通过这样的运算可以消除两路参考源不相关的固有相位噪声。混合的部分可以通过平均来消除，因此最终剩下的只有被测件的固有噪声。这样使得灵敏度不再局限于内部参考源的固有相位噪声。测量的改善程度主要决定于平均的次数，而最大可以改善达20dB。

强大的频谱分析仪功能

信号源分析仪FSUP集成了顶级性能的频谱分析仪。这样用户就可以利用频谱仪直接测量相位噪声。这种测试方法的灵敏度决定于频谱边带的功率谱密度。这样的测试方法的缺点是显而易见的：需要更多的测量时间，由于无法抑制载波所以灵敏度较低，因此测量动态范围比较低。另外，在频谱仪模式下无法应用互相关技术，也不能区分幅度噪声和相位噪声。对于用户杂散的计算或消除也更为复杂。然而，利用频谱仪测量的优点也很明显，它可以获得很大的测量频率偏移。因此，频谱分析仪在测量相位噪声中是一个必不可少的仪器。

当测量谐波或干扰信号时，该仪器提供超越频谱仪基本功能的能力，如杂散测量功能。可以在各段的扫描范围内设置不同的测量参数，频谱分析仪会自动搜索干扰和杂散信号。可以计算高达100 000的杂散测量点数，而结果以一个列表的形式显示。

在信号源特性测量中邻信道功率同样是一重要指标。FSUP具有快速测量邻信道功率的功能。用户可以直接从预设置中选择测量参数，也可以独立设置信道带宽和信道间距。FSUP的标准配置中同样提供了很大的动态范围。

该仪器像FM/PM/AM解调器一样可以测量振荡器信号相对于时间的特性。因此具有对瞬态特性进行宽带分析和对由于高频率切换引起的影响进行测试的功能。

振荡器的完整特性测量

为了记录振荡器的各种特性，同时利用锁相环测试方法测量相位噪声，用户必须准确设置压控振荡器的工作电压和调谐电压。为了满足这样的需要， FSUP提供了两组独立低噪声直流电输出端口。工作电压和调谐电压可以通过简易的菜单进行设置。电压值可以基于测量的应用而改变，但是不能超出允许的最大值和最小值。还可以设置电压的输出顺序，从而可以以不同的电压开始测量。为了满足特殊的应用，FSUP同时提供负电压的输出。

图5 对输出带滤波器的振荡器的测量可以说明通过互相关技术对灵敏度的改善。黄色的曲线没有应用互相关技术进行测量的结果，而其他两条测量曲线是应用了互相关技术并采用不同平均次数的测量结果，这样清楚地表明了灵敏度的提高程度决定于平均的次数

为了测量压控振荡器的特性，需要进行以下这些典型测量：在固定的工作电压下，改变调谐电压进行测量（调谐特性），或者是固定调谐电压，而改变工作电压进行测量（直流特性）；也可以在工作电压和调谐电压同时改变下测量；另外，这些参数的测量不仅可以在基波下测量，同时可以在谐波下测量。X轴上的参数可以是调谐电压或频率。对于这些测量用户可以通过设定不同的测量点数来达到测量所需的分辨率。(end)