【相位噪聲定義】

頻率不穩定性可區分為長期與短期兩種類型。長期不穩定性，亦稱漂移，指的是在較長時間跨度內發生的頻率變化現象。而短期不穩定性，通常涉及幾秒鐘或更短時間內的波動，則進一步細分為確定性和隨機性兩類。

確定性變化在頻域中體現為特定的離散分量，即所謂的雜散信號，它們通常是被測設備內部周期性因素（如電源線頻率、振動頻率或混頻產物等）導致的結果。

另一方面，相位噪聲則用于描述頻域中連續且非周期性的載波信號相位所發生的隨機變化，它反映了信號穩定性的另一層面。

【相位噪聲測量】

絕對相位噪聲

對振蕩器或合成器進行測量時，指的是對整個信號鏈路生成的信號執行單端口測量。這包括評估由一系列組件如放大器、乘法器、混頻器等組成的完整RF鏈路所產生信號的性能。這種測量方式適用于信號發生器的整體輸出評估，確保從信號源到最終輸出的各個環節均達到設計要求和預期標準。通過這種方式，可以全面分析信號的純度、穩定性和其他關鍵特性。

殘余相位噪聲

殘余相位噪聲指的是器件對信號引入的加性相位噪聲。具體來說，這種噪聲可以是由合成器添加到本地參考振蕩器上的額外噪聲，也可以是由乘法器、除法器、混頻器、上/下變頻器或放大器等組件引入的相位噪聲。這類噪聲影響信號的純凈度和穩定性，是衡量器件性能的一個重要指標。理解并最小化殘余相位噪聲對于優化通信系統和其他依賴高精度信號處理的應用至關重要。

【相位噪聲的參數/單位】

相位噪聲測量涉及3 個重要參數：載波頻率、載波頻率偏置，以及相對于載波功率的功率譜密度。

dBm, dBc, dBc/Hz, 熱噪聲

dBc是信號功率相對于載波信號功率的度量。 用于離散 CW 信號而非噪聲功率

dBc/Hz與 dBc 類似，只是歸一化為1Hz測量帶寬，因此稱為功率譜密度 (PSD)，用于測量噪聲功率。

dBm用于討論相對于1mW 基準的絕對功率電平。該功率是絕對值，而非載波功率的相對值。

dBm/Hz是1Hz帶寬內測量的相對于1mW基準的功率譜密度。該功率是絕對功率，而非載波功率的相對值。該測量單位對應 kT熱噪底。

熱噪底

所有電子元件由于電荷載流子的動能都會產生熱噪聲，這種噪聲也被稱為Johnson-Nyquist噪聲或kT噪聲。在連續波的情形下，這種噪聲表現為具有相等功率的幅度調制（AM）和相位調制（PM）噪聲分量，其強度達到了物理極限，即所謂的“噪底”，為-177 dBm/Hz。當計算總的噪聲水平時，在290K（室溫）條件下，這一數值則為熟知的-174 dBm/Hz。這一參數是衡量系統性能的關鍵指標之一，尤其是在高靈敏度接收器和其他需要高度信號純凈度的應用中尤為重要。

【相位噪聲測量方法】

直接頻譜法

這種測量方法代表了測量相位噪聲的經典途徑，即直接評估連續波（CW）信號的頻譜及其噪聲邊帶功率。傳統上，這種方法難以區分幅度調制（AM）噪聲和相位調制（PM）噪聲。然而，現代相位噪聲分析儀、信號分析儀、示波器以及網絡分析儀通過采用數字化和解調技術，將信號分解為幅度和相位分量，從而實現在儀器的數字化帶寬內對AM和PM噪聲進行分離。此外，多通道儀器能夠執行互相關處理，進一步增強了噪聲分析的精確度和可靠性。這一進步使得我們能夠更細致地了解信號的特性，并改進了各類電子設備的性能評估與優化工作。

模擬鑒相器法

此方法采用雙平衡混頻器作為鑒相器，用以抑制載波并測量RF和LO端口間的相位差。通過去除載波，這種方法提升了ADC滿量程范圍或接收機前置放大器的壓縮電平上限。為了優化系統靈敏度，可通過使用具有低噪聲系數的基帶低噪聲放大器（LNA）來放大檢測到的相位噪聲。相較于直接頻譜分析方法，這種技術能夠顯著提高初始測量靈敏度，不過其效果高度依賴于參考源（即LO）的相位噪聲性能。此外，多通道儀器能夠執行互相關操作，這進一步增強了測量精度和可靠性。這種方法不僅提高了對細微相位變化的檢測能力，同時也為精密信號分析提供了強有力的支持。

互相關法

這并不是一種獨立的測量方法，而是可以利用前述兩種測量技術之一來實現的一種策略。具體做法是將被測設備（DUT）產生的信號分離，并分別送入兩個獨立的硬件通道。然后，在多次采集中計算這兩個通道間的交叉頻譜并取平均值。這樣處理后，兩個通道中共有的噪聲（即來自DUT的噪聲）會被保留下來，而不相關的噪聲（通常由測量系統引入）則會被有效去除。使用互相關技術的相位噪聲分析儀理論上能夠達到接近kT熱噪底的極限靈敏度，不過，實現這一高靈敏度需要耗費大量時間來處理可能涉及數十億次采集的數據。這種方法雖然計算成本較高，但它極大地提高了測量精度和可靠性，特別適用于對噪聲水平極低的信號進行精確分析。

【相位噪聲分析儀的關鍵指標】

初始測量系統靈敏度

對于非互相關相位噪聲分析儀而言，其靈敏度指的是能夠測量的最小相位噪聲水平，即最大動態范圍內可檢測到的最弱信號。這定義了設備在沒有采用任何增強技術情況下的基線性能。

相關因子：1

時間：秒*1

相關增益

相關次數每增加10倍，相關增益在整個偏置范圍內的初始靈敏度就會提高5dB，直到達到 kT 熱相噪本底。

相關因子：10

時間：秒*10

達到初始靈敏度的測量時間

所有互相關相位噪聲分析儀在處理相關增益時采用的方式基本相同。由于測量時間與相關次數成正比，因此達到初始靈敏度（通常是在最近端偏移處完成首次相關）所需的時間將直接影響總測量時間。這一特性為不同相位噪聲分析儀之間的性能比較提供了統一的標準，使得同類設備間的測量效率和靈敏度表現得以公平評估。通過關注初始相關所需的時間，用戶可以更直觀地了解設備在實際應用中的響應速度和整體性能。

頻率范圍和偏置頻率

相位噪聲分析儀的頻率范圍決定了可測量器件（DUT）的中心頻率。現代相位噪聲分析儀能夠支持從直流（基帶）到毫米波頻率的廣泛測量需求。利用這種分析儀，可以有效地評估近端（小頻偏）相位噪聲，這對于設計恒溫晶振、確定OFDM信號中相位噪聲對誤差向量幅度（EVM）的影響，以及雷達系統的設計尤為重要。同時，通過相位噪聲分析儀測量遠端（大頻偏）相位噪聲，有助于了解相位噪聲對寬帶單載波和多載波應用中的EVM影響，并且對于分析超寬帶高頻時鐘的相位噪聲（或稱為抖動）也非常關鍵。這種寬頻段的支持使得相位噪聲分析儀成為從精密時鐘設計到復雜通信系統開發等多個領域的必備工具。

輸入功率范圍

輸入功率定義了測量的有效動態范圍，因為相位噪聲始終是噪聲到載波的測量（相對于載波功率），以 dBc/Hz 為單位。

【相位噪聲測量的主要應用場景】

數字通信

隨著通信系統復雜性的增加以及帶寬的不斷擴展，相位噪聲對系統性能的影響變得日益顯著。特別是在采用寬帶高階調制格式的場景下，遠端相位噪聲通常成為誤差向量幅度（EVM）的主要貢獻者之一。

雷達系統

雷達系統確實對相位噪聲性能有嚴格的要求，特別是對于近端頻偏的控制尤為重要。多普勒雷達通過測量目標移動引起的回波信號頻率變化來工作。然而，雷達本地振蕩器（LO）的相位噪聲會同時出現在目標回波信號和來自非目標靜止物體（如大地反射產生的雜波）上。這種情況下，相位噪聲可能會部分甚至完全掩蓋目標信號，具體情況取決于目標信號的強度及其相對于載波的頻率偏移。

OFDM正交頻分復用

在現代通信系統中，特別是使用正交頻分復用（OFDM）技術的場景下，子載波之間的頻率間隔設計得非常緊密。這種緊湊的排列方式雖然提高了頻譜效率，但也意味著每個載波的相位噪聲可能會擴展并影響到相鄰的載波，導致信號間的干擾增加。在這種情況下，近端相位噪聲對系統性能的影響變得尤為關鍵，因為它可以直接影響到數據傳輸的準確性和可靠性。