采用频谱分析仪测量宽带的相位噪声

无线通信产业正在通过增加调制复杂度和调制带宽向着更高的射频（RF）频率和数据率的方向发展。这些宽带无线系统必须要有可靠的测量技术作为支持。

关键指标

误差矢量幅度（EVM）是一种严格的规范，经常用于描述传输信号的调制质量。EVM测量的是理想的参考波形与被测波形之间的差别。如果接收机的EVM很差，它能够正确恢复传输信号的能力就会下降，这会增加蜂窝边缘的误码率（BER），导致覆盖范围缩小。

造成EVM差的原因之一是发射机和接收机当中所有振荡器的相位噪声。正交相移键控调制（QPSK）信号的相位噪声看上去像星座图的旋转（见图1），缩短了星座点之间的距离，所以对于给定的误码率，接收机就需要更高的信噪比。因此相位噪声降低了接收机的灵敏度。

对于像LTE和WiMAX当中的正交频分复用（OFDM）信号，本振（LO）的相位噪声叠加在n个副载波上的。这里的相位噪声有两个效果：（1）所有副载波的随机相位旋转常称为公共相位误差（CPE）；（2）载频间干扰（ICI）是由给定的副载波被n-1个相邻的带有噪声的副载波恶化而产生的。

OFDM符号包含特定的被称为“导频”的副载波，“导频”能帮助接收机跟踪到CPE，同时估计出传输信道的频率响应。这些“导频”并不会改善ICI，但它仍然会影响EVM。这会导致相位噪声对OFDM的影响略微不同于对传统的QPSK信号的影响，但是相位噪声仍然是信号恶化的一个重要原因。

对于64-QAM调制的OFDM来说，对发射机输出端的EVM的要求非常严格：均方根的典型值是2.7%左右。这就是为什么本振的相位噪声和抖动对于本振锁相环（PLL）的设计很关键的原因。要实现均方根2.7%的EVM，我们推荐将总相位抖动均方根值低于1°作为选择合成器的标准。

测量相位噪声

由于相位噪声对EVM有如此重要的影响，所以在开发过程中检验本振的相位噪声性能就非常关键。虽然低成本设备（比如用户设备或者毫微微蜂窝设备）的生产测试次数较少，不允许进行这种深入测试，但是相位噪声测量功能却有助于过程监控和排除生产问题。

在频谱分析仪中，通过观察信号的“边缘”，可以很容易看到相位噪声。频率相当缓慢的倾斜就显示了相位噪声（见图2）。然而这幅频谱分析仪的图并没有显示抖动强度有多大。

现代的频谱分析仪可以很容易测量dBc/Hz为单位的相位噪声，或者以角度、弧度或者秒为单位的相位抖动。频谱分析仪的相位噪声测量适用于中等质量的合成器，比如在商用无线用户设备或者毫微微蜂窝设备中的合成器，甚至可能用在基站中的合成器中。在这里的示例中（见图3），频谱分析仪测量得到2.3GHz的信号在10kHz～5MHz范围内的抖动是0.1°，很明显，它完全可以胜任测量本振的工作。

然而，频谱分析仪不适用于测量质量很高的合成器，比如实验室标准的合成信号发生器或者原子钟。在这些情况下，测量结果是频谱分析仪的残留相位噪声基底，而不是被测设备。

当测量有漂移的信号源时，比如压控振荡器（VCO），频谱分析仪同样有局限性，因为VCO的频率漂移会影响测量结果。在偏移量较大时，比如大于1MHz，这通常不是问题，但是偏移量较小时，比如1kHz，VCO的输出会经常漂出测量范围，导致结果无效。

因为相位噪声是用dBc/Hz为单位来测量的，但是本振需要用角度的均方根来测量，所以需要一些转换，这就要对相位噪声在数十个偏置范围内进行积分，并且转换到恰当的单位——角度、弧度或者秒。虽然你可以手动完成这一复杂的过程，但是让设备完成要简单得多。

偏移量范围的问题

但是这会产生一个问题：在什么偏移量范围内进行积分？对于OFDM，一个不错的经验法则是，将码元速率到系统带宽的偏移量作为积分范围。码元速率的限制是因为接收机消除了CPE，而CPE主要位于码元速率以下的偏移量处。超出系统带宽的偏移量被接收滤波器滤除了，所以就没有什么影响了。

对于WiMAX，准确的偏移量取决于使用的具体配置，比如说，可以使用10kHz～5MHz的偏移量。对于LTE，原理是相同的，但是偏移量会稍有不同，它同样取决于无线电的使用模式。比如，LTE可以使用15kHz～20MHz的范围。

相位噪声图不仅提供了一种在具体频率偏移量范围内得到抖动的方法，而且可以用来更好地理解PLL。仔细查看图3所示的相位噪声图，我们会发现几个不同区域。

从10Hz到近1kHz，以及从近100kHz到1MHz的偏移量具有相当稳定的每分贝20dB的斜率。这是频率参考和压控振荡器中的谐振元件起主要作用的区域。从近1kHz到10kHz，我们看到一个平坦的区域，两边分别过渡到20dB/分贝。这是参考源的宽带噪声基底被搬移到RF频率而造成的。

锁相环的带宽也在这个区域，很可能靠近高值端。在这区域内可能会有很大的尖峰，取决于环路滤波器；这意味着存在欠阻尼，它可能会造成不稳定。在大约1MHz以上的偏移量处，我们可以看到压控振荡器的宽带噪声。

所以，使用频谱分析仪和相位噪声测量软件可以很好地检验本振的抖动性能。这种组合成本低，性能充足，而且便于展示在一定频率偏移量范围内的抖动。