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RF测试笔记是业界一线工程师们通过理论和实践相结合的方式介绍射频微波测试技术的专栏，主要涵盖噪声系数、数字调制、矢网、频谱分析、脉冲信号等内容。如有想看到的内容或技术问题，可以在文尾写下留言。
相位噪声是表征CW信号频谱纯度的非常重要的参数，衡量了信号频率的短期稳定度。通常所说的相噪为单边带(SSB) 相位噪声，相噪的好坏对于系统的性能至关重要！
· 对于终端通信而言，如果接收机LO的相噪较差，且在信道附近存在较强的单音干扰时，在下变频过程中因交叉调制将导致信道内的噪声增加，从而恶化信噪比，严重时将无法进行正常通话！
· 对于卫星通信而言，如果发射机LO的相噪较差，将直接恶化数字调制信号的质量，星座图模糊，EVM变差，从而影响有效的数据传输！
· 对于雷达而言，如果整机的LO相噪较差，将导致部分目标的微弱回波信号淹没在强回波信号的边带中，从而无法正常检测！
由此可见，相噪性能是保证系统性能的重要前提！
因此，在设备研制阶段，通过合适的测量手段检验相噪性能是非常重要的一个工作环节。如何检验信号的相噪性能呢？
对于相位噪声的测试，目前业界常用的方法包括：基于频谱仪的测试方法和基于鉴相器的测试方法。使用频谱仪测试相噪又可分为，直接标定法和使用专门的相噪选件进行自动化测试。直接标定法即手动测试，经济实惠，但是操作相对繁琐；使用相噪选件自动化测试操作方便，可以直接给出相噪曲线，但是需要购买！至于基于鉴相器方法的设备，属于更加专业的相噪测试设备，测试能力更强，当然也是价格不菲的。
如果在研发阶段，只是要检验某些频偏处的相噪，而不要求直接得到相噪曲线，可以考虑使用频谱仪直接标定信号相噪，直接标定法也是下面要重点介绍的内容。
本文将首先介绍相噪的定义，然后介绍影响频谱仪相噪测试能力的因素，最后将给出手动测试相噪的关键步骤及注意事项。
相位噪声是如何定义的？
相噪的定义是大家所熟知的，如图1所示，在距离载波fc 一定频偏处的噪声功率谱密度与载波功率的比值即为相位噪声，通常是指单边带相位噪声(SSB PN)，单位为dBc/Hz。“c”可以理解为载波carrier，意思是相对载波的电平。类似地，在描述谐波失真度时通常也采用单位dBc。
对于理想的CW信号，其频谱为单根谱线，而实际上由于相位噪声的存在，使得其频谱具有图1所示的边带，距离载波越远，边带幅度越小，意味着相位噪声也越好。
相位噪声的存在，使得信号的相位是随机波动的。之所以信号具有图1所示的边带，是因为相位噪声相当于宽带噪声对信号进行了相位调制！当然，信号的幅度也是存在波动的，相当于宽带噪声对信号进行了幅度调制，这部分噪声称为调幅噪声。相位噪声和调幅噪声并存，使得信号具有一定的边带。
实际上，按照上述定义得到的相噪测试结果既包含了相位噪声，也包含了调幅噪声，通常调幅噪声相对于相位噪声要小得多，可以忽略，因此也就将测试结果当作相位噪声了。基于频谱仪的相噪测试，无论是直接标定还是自动化测试，都是这种情形。如果要分离出相位噪声和调幅噪声，只能采用鉴相测试方法了。
值得一提的是，能够分离相位噪声和调幅噪声只是鉴相器测试法的特性之一，鉴相器法的最主要目的是为了改善相噪测试灵敏度，提高相噪测试能力！
图1. 单边带相位噪声的定义
决定频谱仪相噪测试能力的因素有哪些？
曾经有过这样的困惑，频谱仪怎么会有相噪的指标，相噪不是信号源的指标吗？后来才明白，频谱仪的相噪其实是内部LO信号的相噪，而且它决定了频谱仪近端相噪的测试能力。频谱仪自身的相噪越低，则相噪测试能力越强！
频谱仪自身的相噪是如何影响其相噪测试能力的呢？
以图2为例，假设RF信号是理想的，LO信号具有一定的边带，在下变频过程中，除了将RF信号变频至IF外，LO信号的边带也会一起搬移至IF。混频器实际上起到乘法器的作用，RF信号与LO信号相乘实现下变频的同时，也会与LO信号边带包含的频率成分相乘，从而使得边带也变频至IF附近。有的文献将此称为互易混频，互易混频使得LO信号的边带搬移至IF。
近端相噪测试通常只关注1MHz频偏范围内的相噪，考虑双边带时，对应的是fc± 1MHz范围内的边带。对于混频器而言，可以认为在2MHz这么窄带宽内的变频损耗是恒定的，这意味着对于图2所示的例子，IF信号的相噪与LO信号的相噪是相同的！这个相噪就是频谱仪自身的相噪“底噪声”，一般称为相噪测试灵敏度，决定了频谱仪的相噪测试能力。
如果待测信号的相噪低于频谱仪自身的相噪，当然是测不出信号真实的相噪水平。检定频谱仪相噪指标时，一般会选择一台相噪更好的信号源，相噪测试结果能够反映出频谱仪自身的水平。
如果要准确测试信号的相噪，则要求频谱仪自身相噪比待测信号好很多，按照经验，至少优异10dB以上，才能保证测试精度！
图2. LO的相噪因互易混频搬移至IF输出信号
以上介绍了影响近端相噪测试能力的因素，随着频偏的不断增大，LO信号的相噪也是逐渐降低的，此时决定仪表相噪测试能力的因素可能不再是LO的相噪，而是仪表的底噪声。
如何判断频谱仪底噪声是否影响远端相噪测试呢？
有两种方法可以尝试：
(1) 降低信号功率，观测远端边带是否也跟随降低，如果没有变化，说明底噪声确实影响远端相噪测试；如果远端边带也随之降低，则说明底噪声带来的影响很小。
(2) 直接关闭信号，保证频谱仪其它设置不变，对比此时的底噪声与关闭信号之前的远端边带功率的大小。如果底噪声低于远端边带功率(建议10dB以上)，则对测试影响较小；如果底噪声与远端边带持平，则必然会影响测试结果！
如果底噪声影响了远端相噪测试，如何解决呢？
可以在一定程度上增大信号功率，因为信号功率越高，边带功率也随之提高，使其高出底噪一定水平，从而保证测试精度。但不能导致频谱仪过载，否则将扰乱测试结果，必要时，可以使用陷波器抑制载波信号。
或者选择底噪声更低的频谱仪进行测试！
如何使用直接标定法准确测试相噪？
了解影响频谱仪相噪测试能力的因素之后，下面介绍一下如何使用直接标定法测试信号的相噪。
这里不涉及频谱仪具体的操作，只给出关键的测试步骤及注意事项。
为了提高相噪测试精度，建议适当提高信号功率，以得到更高的边带功率，推荐信号功率在±5dBm范围之内，太强可能导致频谱仪过载。
直接标定法操作步骤(推荐) ：
Step 1：设置合适的中心频率和Span，使得能够显示信号频谱并覆盖需要测试的频偏范围。
Step 2：将频谱仪射频前端衰减度设置为0dB，以降低底噪，提高相噪测试精度，这一点对于远端相噪测试尤为重要。
Step 3：将频谱仪的显示检波器类型选择为RMS检波器，这个在之前的文章“如何选择显示检波器”中已有说明，为了得到更加稳定的测试结果，可以考虑增大扫描时间。
Step 4：设置合适的RBW，RBW并不是越小对测试越有利，降低RBW并不会改善远端相噪测试能力，因为底噪降低的同时，边带功率也会降低，而且RBW太小，速度太慢。但是当测试近端相噪时，比如频偏100kHz以内，RBW需要设置小一点，以对载波信号充分抑制，否则会严重影响相噪测试能力！
近端相噪测试过程中，可以通过逐步降低RBW来选择合适的值，降低RBW的过程中，当相噪测试结果不再降低时，选取此时的RBW即可。
Step 5：确定载波信号功率及待测频偏处的噪声功率谱密度，以计算相位噪声。
通过Marker功能很容易确定载波信号功率PC，当然也很容易确定待测频偏处的功率PSSB，则噪声功率谱密度可通过下式计算：
PSD=PSSB - 10lg(RBW ) (dBm/Hz )
则相噪测试结果为
PN=PSD - PC (dBc/Hz )
目前业界大部分频谱仪都支持使用Marker直接测试功率谱密度，再通过显示Marker的delta mode便可以直接显示相噪结果，这样就省去了上述计算步骤，使用非常方便！
以上便是要给大家分享的内容，希望对大家有所帮助~~
小文虽短但不乏精华，希望大家持续关注“微波射频网”，后续精彩不断~
本期原创工程师：海川
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