相位噪声测试的条件（毫米波相位噪声测试）
相位噪声测试的条件（毫米波相位噪声测试）图1 相位噪声图其单位为dBc/Hz。其中是单边相位抖动的功率谱密度。历史上，在频率计量上经常使用这个值。但是在人们使用频率标准或者生产和测试器件的时候，往往使用。一般来说，相位噪声以下图的形式来体现，图形中横轴是频率轴，表示偏离载波中心的位置，纵轴就是相位噪声值。在毫米波频率上，相位噪声问题会比在低频段更加突出。在通信系统中，相位噪声会影响矢量调制信号的矢量调制误差并恶化误码率。在雷达应用中，相位噪声会影响雷达相参处理增益和杂波抑制能力，从而影响雷达灵敏度、动态范围、动目标探测能力等关键指标。为了保证通信的质量，对毫米波器件的相位测试也就显得更加重要了。相位噪声是振荡器在短时间内频率稳定度的度量参数。它来源于振荡器输出信号由噪声引起的相位、频率的变化。频率稳定度分为两个方面：长期稳定度和短期稳定度，其中，短期稳定度在时域内用艾伦方差来表示，在频域内用相位噪声来表示。设一个正弦信号的表达式
摘要：由于毫米波信号一般采用倍频的方式产生，相位噪声会随着倍频的次数而增大。和低频率相比，毫米波器件相位噪声的测试变得尤为重要。采用频谱仪测试相位噪声，会受到频谱仪自身一些因素的限制。而目前单台相位噪声分析仪的最高频率也只有50GHz。本文在介绍相位噪声测试技术的基础上，提供了毫米波外部两路混频的测试方案，可以对毫米波器件的相位噪声进行稳定的分析。
关键词：毫米波相位噪声，鉴相，互相关，混频器
毫米波通信的发展随着人们对通信速率的追求，拥挤的低频段已经无法满足我们的需求，从而推动了通信技术向毫米波频段发展。比较典型的例如5G通信，在传统的低频段基础上首次增加了28GHz，39GHz毫米波频段，具备单载波最大400MHz的带宽。802.11ad技术，在60GHZ的毫米波频段上，可以具有2GHz的带宽。它的后一代802.11ay，甚至可以有8GHz带宽，达到22GB/s的传输速率。
在自动驾驶领域，安全永远是最重要最关键的一个因素。车载雷达在自动驾驶上扮演着非常重要的角色。车载雷达使用的频率主要有24GHz，76GHz-77GHz，77GHz-81GHz。随着频率的增加，可以允许的最大带宽也相应的增加。例如在77GHz-81GHz这个频段，可以允许最大4GHz的信号带宽。
在毫米波频率上，相位噪声问题会比在低频段更加突出。在通信系统中，相位噪声会影响矢量调制信号的矢量调制误差并恶化误码率。在雷达应用中，相位噪声会影响雷达相参处理增益和杂波抑制能力，从而影响雷达灵敏度、动态范围、动目标探测能力等关键指标。为了保证通信的质量，对毫米波器件的相位测试也就显得更加重要了。
相位噪声和测试技术相位噪声的定义相位噪声是振荡器在短时间内频率稳定度的度量参数。它来源于振荡器输出信号由噪声引起的相位、频率的变化。频率稳定度分为两个方面：长期稳定度和短期稳定度，其中，短期稳定度在时域内用艾伦方差来表示，在频域内用相位噪声来表示。设一个正弦信号的表达式为：
其中是峰值电压幅度，是幅度的偏离，是频率，是相位偏离。在IEEE standard 1139-2008[1]中，相位噪声定义为相位抖动的单边带功率谱密度：
其单位为dBc/Hz。其中是单边相位抖动的功率谱密度。历史上，在频率计量上经常使用这个值。但是在人们使用频率标准或者生产和测试器件的时候，往往使用。一般来说，相位噪声以下图的形式来体现，图形中横轴是频率轴，表示偏离载波中心的位置，纵轴就是相位噪声值。
图1 相位噪声图
相位噪声在以前的定义中有使用如下的定义方式：
这种定义在多数情况下和新的定义结果是一致的，但是当相位偏差平方的均值超过0.1，这个定义就会失效。为了规避这种情况，目前对于相位噪声的定义，都以IEEE standard 1139-2008 中新的定义为准。另外除了相位噪声，有些人还会关心幅度噪声。幅度噪声定义如下
其中是归一化的幅度抖动。幅度噪声测试常用的方法有两种 ：一种是使用二极管检波器进行检波，但该方法需要外置一个二极管检波器，需要进行复杂的校准。另一种方法是使用AM解调的方法，使用AM解调的方法操作相对简单，并且可以同时测试相位噪声和AM噪声。
测试技术频谱仪测试法该方法按照相位噪声的基本定义，首先测量中心载波的信号功率，然后测量某一频偏处噪声功率，最后做计算即可得到相位噪声值。此方式，一次只能进行一个点的测试，如果要测量多个点的相位噪声，会比较耗时。所以在频谱仪里面，专门配备了相位噪声的测试选件，该方法还是基于频谱仪测试载波功率和噪声功率，但是可以自动进行测试，并显示出完整的测试曲线，频偏范围可以自由设定，操作简便快捷，精准度比频谱仪直接测试法要高，测试速度要快。
图2 专门的相位噪声测试选件
总之，频谱仪法测试相位噪声均基于频谱测试的结果进行相位噪声的计算，该测试法无法区分调幅噪声和相位噪声，灵敏度受仪器固有相位噪声限制，无载波抑制，测量范围受分辨率滤波器形状因子限制， 动态范围有限等缺点。但是，该方法测试设置简单、快捷，频率偏移范围大，可测试很多信号源的特性，比如：杂散发射、邻信道功率泄漏、高次谐波，并且可以直接显示相位噪声曲线（当调幅噪声忽略不计时）。
鉴相器测试法鉴相器法是采用被测信号源与一同频参考信号源进行鉴相，鉴相器输出信号经低通滤波器和低噪声放大器后输入到频谱仪或接收机中。
图3 鉴相器测试法
鉴相器输入的两路信号
鉴相器输出信号
经过低通滤波器之后，我们假设 是个小量，则
在上面的方法中，被测件的频率或者参考源都有可能发生漂移，并且90度的相位难以绝对保证。人们在鉴相器方式的基础上引入了锁相环。锁相环路的引入会对相位噪声测量带来影响，当偏移频率小于锁相环的环路带宽时，相位噪声会被抑制，因此在测量过程中需要对这部分的相位噪声进行修正。
鉴相器法测试相位噪声具有很多优点：其中一个重要优点是鉴相后信号的载波被抑制，接收机的中频增益与载波电平无关，因此可以大大提高相位噪声的测试灵敏度。另外，可以采用低噪声放大器对鉴相后的信号进行放大，从而可以降低测量接收机的噪声系数，进一步提高其测试灵敏度。同时，对于信号中同时存在的AM噪声和相位噪声。可以通过调整两路信号的相位差，使鉴相器可以分辨AM噪声和相位噪声。如果两路鉴相信号相位相差90°，则鉴相后输出对AM噪声的抑制可以高达40dB，当两路鉴相信号相位相差 0°时，则输出结果仅有AM噪声。
对于该测试方法也有相应的局限性。相对频谱仪方法来说，鉴相器法的测量频偏范围较窄。由于信号源特性除了相位噪声指标外，还需要测量如谐波特性，杂散特性，邻信道抑制比等指标，而该方法则无法完成这些测量，还需要用频谱仪功能来实现。
互相关法在用单路进行相位噪声测试过程中，参考源，鉴相器，低通滤波器和低噪声放大器都会引入噪声。所以最后测试到的相位噪声实际是包含这些噪声因素的。如果被测件的相位噪声比较高，这些因素对结果的影响比较小。但是如果被测件本身的相位噪声很低，那我们不得不考虑这些因素。互相关法通过引入第二个支路，并且采取数学运算的方式，可以进一步提高相位噪声的测试灵敏度。
图4 互相关法
假设通道1对测试来说引入的噪声是a，通道2引入的噪声是b，c是我们需要测量的量。我们有时域表达式：
通过channel1和channel2的互相关操作，被测件相位的噪声
m 为平均次数。通过增大m这个值，我们可以把测试通道里面由其他部件引入的噪声降低，从而提高测试相位噪声的灵敏度，为。例如进行100次平均，灵敏度提高10dB。互相关方式是目前测试相位噪声最流行的方式，相位噪声分析仪普遍采用这种方式。
毫米波相位噪声测试毫米波相位噪声测试的特点常见的相位噪声测试，往往频率比较低。例如测试直流电压，锁相环，晶振等的相位噪声，频率最高到100M左右。而毫米波频率，都在30GHz或更高。例如车载雷达里面的频率倍频芯片，信号经过倍频之后，最终是80GHz的信号。在这么高频率的信号上直接进行相位噪声的测试，仪表的测试成本会非常高。所以我们往往采用将毫米波信号变换到一个较低的中频信号，然后利用现有的低频率相位噪声分析仪进行测试。
R&S公司的FSWP相位噪声分析仪，可以通过选件方式扩展外部混频器。配合多种毫米波频段的外部FS-ZXX系列混频器，可以进行最高500GHz的相位噪声测试。
毫米波相位噪声测试常见问题相位噪声分析仪射频的输入功率一般在30dBm，内置的混频器1dB压缩点在10dBm左右。但是当使用外部混频的时候，毫米波外部混频器会极大的限制可以输入的信号功率。以FS-Z90为例，这个是60G-90G的混频器。最大输入电平10dBm，1dB压缩点-6dBm。输入的信号过高，会产生AM-PM，导致相位噪声的抬高。所以在毫米波相位噪声测试的时候，一定要注意到混频器端口的功率。一般在-20dBm左右的功率是比较合适的。
同时由于混频器的非线性，采用一路混频的方式，相位噪声的测试容易受到混频器的影响。并且在相同的设置下，以80GHz，offset=1KHz为例，在FSWP上两个混频器比一个混频器的灵敏度高18dB。灵敏度越高，越可以体现出器件的真实性能，推荐使用两路混频器的方式。
图5 FSWP两路外部混频
输入信号，用波导功分器一分为二，两路混频可以充分利用相位噪声分析仪的互相关特性，消除由外部混频器带来的噪声影响，从而提高测试的灵敏度 下图是采用两路互相关，并且输入功率-20dbm下的某毫米波倍频器的相位噪声曲线。
图6 两路混频器测试结果
FSWP相位噪声分析仪R&S公司的FSWP相位噪声分析仪，单机可以覆盖50GHz的频率，已经可以满足例如5G毫米波频段的测试，这也是现在单机覆盖频率最高的相位噪声分析仪。FSWP采用了数字解调[6]AM，FM的方式，在中频ADC采样之后，对IQ数据进行运算，获取幅度和相位信息。数字相位解调法测试速度快，无鉴相器和锁相环，不需要进行环路带宽修正，可以简化校准过程。还可以进行幅度噪声和相位噪声的同时测试。
FSWP不仅仅只是一台相位噪声分析仪，它还可以作为频谱仪分析仪来使用。其他的相位噪声分析仪一般采用FFT频谱分析，其频率跨度受限于内部ADC的采样速率。而FSWP的频谱分析仪采用扫频方式，可以支持任意频率跨度的频率扫描。
FSWP还具有脉冲信号，chirp信号，数字调制PSK，QMA等信号分析功能，集多种功能于一体。
总结相位噪声测试在毫米波频段非常重要，大的相位噪声会影响通信的质量。采用互相关的方式，可以提高相位噪声测试的灵敏度，体现器件的真实相位噪声性能。在R&S公司的FSWP，50G以上的毫米波相位噪声测试，可以通过外部混频器的方式来实现，利用两个外部混频器，采用混频器互相关的方式，获得稳定的测试结果。FSWP是台多功能的仪表，极大的方便了用户的测试。
参考文献
[1] IEEE Standard Definitions of Physical Quantities for Fundamental Frequency and Time Metrology—Random Instabilities IEEE Std 1139™-2008
[2] FSWP_UserManual_en_11
[3] R&S.phase noise seminar advances in measurement techniques October-November 2015
[4] R&S应用手册，1EF100_2e_2Port_Residual_Noise_Meas
[5] R&S内部文档，相位噪声测试技术
[6] Gregor Feldhaus and Alexander Roth .A 1MHz to 50 GHz Direct Down-Conversion Phase Noise Analyzer with Cross-Correlation
[7] R&S应用手册，1EF95_0e__FSWP_uncertainty_analysis
