相位噪声分析及测试仪概述

相位噪声分析仪是一款相位噪声和阿伦方差同时测试的高精度噪声测试仪。采用先进的相位测量技术，使用9英寸触摸屏，4核处理器，4G内存，4G独显，60G固态硬盘和工控键盘等，开关机只需十秒左右，几秒以内就出现测试结果，实现图形化用户操作界面。

产品图片，如下图所示：

SYN5619型相位噪声分析仪-图

相位噪声就是短期频率稳定度，一个物理现象的两种表示方法，相位噪声为频域表示，短期频率稳定度为时域表示。相位噪声一般是指在系统内各种噪声作用下所引起的输出信号相位随机起伏。相位的随机起伏必然引起频率随机起伏，这种起伏速度较快，所以又称之为短期频率稳定度，用单边带，1Hz带宽内的相位噪声功率谱密度£(ƒ_m)表示。而时域一般用在一定时间间隔内，频率变化量的相对值表示，它是测量时间τ的函数，一般用方差描述频率稳定度，可分长期稳定度和短期稳定度，目前没有严格界限。

频率源的相位噪声是一项非常重要的性能指标，它对电子设备和电子系统的性能影响很大，从频域看它分布在载波信号两旁按幂律谱分布。用这种信号不论做发射激励信号，还是接收机本振信号以及各种频率基准时，这些相位噪声将在解调过程中都会和信号一样出现在解调终端，引起基带信噪比下降。在通信系统中使话路信噪比下降，误码率增加；在雷达系统中影响目标的分辨能力，即改善因子。接收机本振的相位噪声，当遇到强干扰信号时，会产生“倒混频”使接收机有效噪声系数增加。

相位噪声及频率稳定度分析

1、 相位噪声分析

任何信号的频谱都不可能绝对纯净，总会受到噪声的调制产生调制边带。噪声可分为：闪变噪声、干扰噪声和白噪声，1Hz带宽内的热噪声功率N_o在常温17℃时为-174dBm/Hz。这些噪声连续分布，假设对一纯净信号ƒ_o进行调制，取1Hz带宽内的噪声功率，频率为，在时间小于1秒时，可以认为噪声电压也是正弦波。这样可用矢量法来分析这两个正弦信号的调制结果，用图表示。图中用表示ƒ₀幅度，用表示噪声正弦波幅度，把ƒ₀信号看成静止，则噪声分量以 的角速度旋转。

由图看出，当噪声矢量按旋转时，ƒ₀信号既产生调幅又产生调相。在图1中a、c状态只产生调幅，b、d状态只产生调相。调幅的峰值为            ,调相峰值也叫相位最大抖动，为：

单位rad/Hz   

当值很小时，例如随机噪声调制情况下，调制指数很小，这时调相近似线性。使用迭加原理将各自独立的相位噪声功率相加，而各自独立的噪声电压按平方或平方根组合在一起。例如处，1Hz带宽的噪声功率谱密度为，与信号功率之比

即偏离1kHz，1Hz带宽内的噪声功率引起的信号相位抖动了。这就是相位噪声的基本物理意义。

理想信号可表示为：   

式中、、都是常数，这是一个纯净信号，用频谱图表示为一根谱线，从时域看，正弦波的周期为一恒定值。实际中，任何信号不可避免地被噪声调制，存在着寄生调幅、调相，可表示为：

式中为随机调幅，为随机调相。这样在信号的主谱两边将出现边带噪声。一般

都比较小，这里不做研究，而是影响频谱纯度的主要因素，也是影响电子系统重要指标的主要因素。

简化为：，其中，为峰值角偏移，单位为rad。

把上式展开为第一类贝赛尔函数，在值较小时，经整理近似为：

把上式可用矢量图表示，每一个边带的峰值幅度为。

以上分析看出频率稳定度就是输出频率随机起伏特性的量度。有时域和频域两种表示形式，二者都可通过付里叶变换相互转换。时域是以信号频率对载频ƒ₀的瞬时相对频偏表示：

常用阿仑方差的方根作为统一表征量。

频域中用信号频率相位随机起伏在载频ƒ₀两边产生的单边带噪声功率普密度来表示。

2、时域频率稳定度分析

理想正弦波可写为：

式中：V₀为信号幅度，ω₀为信号角频率，为信号固定相位，均为常数。这样信号在频域为一根纯谱线，在时域看其波形周期为一常数。实际信号总会存在幅度起伏和相位起伏，因而瞬时输出信号可写为：

对高稳定频率源，，一般调幅噪声总可以忽略，上式可简化为：

则瞬时相位为：

因而瞬时频率为：

可见就是瞬时频率偏离平均角频率的瞬时角频偏，为频率的瞬时起伏，成为频率噪声。

在误差理论中，总是用标准方差来描述起伏量围绕真正平均值的起伏偏差范围。即瞬时角频偏围绕的起伏，因此定义标准方差为：

式中：为的数学期望，〈……〉表示对N取∞次进行平均。闪

变噪声的存在，使频率源都不是真正的平稳随机状态，所以标准方差总是发散的，失去了理论上的意义。实际中利用计数器在有限时间间隔内测量有限次数，使测量值总与标准方差有一定误差。为了在有限的N次采样测量中，能求得真实值，目前都用阿仑方差表示：

式中：τ为采样时间，m为测量次数。由上式看出阿仑方差是以相邻无间歇采样为一组，求出差值，再求出m组这样差值的均方值。采样时间τ为有限，在二次采样中，频率缓慢起伏作用来不及反映出来，因此阿仑方差对各种频率起伏都是收敛的。所以被广泛使用。

我公司生产的相位噪声分析仪实时显示测量结果，结果准确可靠，不需要附加数据处理即阿伦方差计算等软件程序。将精确的相噪和阿伦方差测量成本显著降低，覆盖几乎所有常用的频率源范围。达到-140 dBc/Hz@1 Hz,使其成为分析超低相噪频率源的最佳选择。

如图所示，为相位噪声测试仪

相位噪声测试仪理论-图

  工控键盘与触摸屏均可同时使用，可以对500kHz-30MHz频率同时进行相噪和稳定度测试，支持不同频率的输入和参考的测试，使用操作简单，只需按下开始即可在几秒内进行测试，不需要熟练的技术工程师，就可轻易实现学习和使用。

本款相位噪声测试仪高度集成，精度高，超低本底，快速稳定，性能可靠，一键式操作，液晶显示面板，简洁、直观，无测量的校准要求，节省时间，主要适用于相控雷达阵、无线电导航系统、自动控制系统等测试，科研院所等对频率信号的质量要求较高的场合，在计量部门、高精度振荡器设备生产厂家或使用者。