相位噪聲是非常重要的射頻指標(biāo)。在通信系統(tǒng)中，相位噪聲會(huì)影響矢量調(diào)制信號(hào)的矢量調(diào)制誤差并惡化誤碼率。在雷達(dá)應(yīng)用中，相位噪聲會(huì)影響雷達(dá)相參處理增益和雜波抑制能力。在高速數(shù)字電路中，相位噪聲引起的抖動(dòng)也會(huì)影響數(shù)字電路的最高工作頻率。

相位噪聲是振蕩器在短時(shí)間內(nèi)頻率穩(wěn)定度的度量參數(shù)。理想正弦波信號(hào)可以表示如下：

A (t) =A₀ cos(ω₀ t +φ )

真實(shí)情況下，幅度、頻率、相位都可能因?yàn)樵肼暥嬖诓▌?dòng)。數(shù)學(xué)上，頻率的波動(dòng)和相位的波動(dòng)可以合并為一項(xiàng)，統(tǒng)一由相位的波動(dòng)表示。真實(shí)的正弦波信號(hào)可以表示如下：

A (t) =A₀ [1+α(t) ] cos[ ω₀ t +φ(t) ]

其中α(t) 為幅度波動(dòng)，φ(t) 為相位波動(dòng)。幅度噪聲和相位噪聲都會(huì)引起信號(hào)頻譜的展寬。

一、相位噪聲的頻譜定義與測(cè)試方法

對(duì)相位噪聲的描述一般不采用時(shí)域的方式描述，而采用頻域的方式描述，這樣可以描述偏離載波不同頻偏處的相位噪聲。

傳統(tǒng)的相位噪聲是如下定義的：以載波的幅度為參考，在偏移一定的頻率下的單邊帶相對(duì)噪聲功率。這個(gè)數(shù)值是指在1Hz的帶寬下的相對(duì)噪聲電平，其單位為dBc/Hz。我們可以稱之為相位噪聲的頻譜定義。

圖 1、相位噪聲的頻譜定義示意圖

這種相位噪聲的定義可以方便的使用頻譜儀測(cè)試，因而也是最廣為人知的相位噪聲定義。在1988年版本的“IEEE基本頻率和時(shí)間計(jì)量物理量的標(biāo)準(zhǔn)定義”（IEEE standard 1139-1988）也是采用的此定義。

但是頻譜儀測(cè)量相位噪聲卻有不少局限性：

·    測(cè)量靈敏度不高，受到頻譜儀固有相位噪聲的限制。因?yàn)轭l譜儀是超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)，接收機(jī)本振的相位噪聲限制了頻譜儀測(cè)量相位噪聲的靈敏度。

·    無(wú)法區(qū)分調(diào)幅噪聲和相位噪聲，因?yàn)閮烧叨紩?huì)引起頻譜的展寬。

·    無(wú)法測(cè)量非常近載波的相位噪聲，最小頻偏受分辨率濾波器形狀因子限制。

·    頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍也限制了相位噪聲測(cè)量靈敏度。由于噪聲功率與載波功率之間差別巨大，頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍也限制了相位噪聲測(cè)量靈敏度。

二、相位噪聲的相位定義與測(cè)試方法

為了測(cè)量相位噪聲有更高的靈敏度，工程師們改進(jìn)了相位噪聲測(cè)試的方法，同時(shí)也改變了相位噪聲的定義。這種新的測(cè)量方法就是直接測(cè)量信號(hào)相位的鑒相器法。

在1999年版本的“IEEE基本頻率和時(shí)間計(jì)量物理量的標(biāo)準(zhǔn)定義”（IEEE standard 1139-1999）中，將相位噪聲的定義修改為：?jiǎn)芜厧辔辉肼?em>L(f) 定義為隨機(jī)相位波動(dòng)φ(t) 單邊帶功率譜密度S_φ (f) 的一半，其單位為dBc/Hz。我們可以稱之為相位噪聲的相位定義。

這個(gè)定義回歸了相位波動(dòng)φ(t) 這個(gè)物理量，采用了頻域表述，而1/2的系數(shù)則是為了和以前的定義的結(jié)果保持一致。

鑒相器法通過(guò)鑒相器直接測(cè)量信號(hào)的相位時(shí)域波動(dòng)，通過(guò)FFT變換得到頻域描述的相位噪聲。

圖 2、鑒相器法測(cè)量相位噪聲

鑒相器法可以結(jié)合鎖相環(huán)自動(dòng)鎖定待測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。另外，鑒相器法可以結(jié)合互相關(guān)算法，使用兩套獨(dú)立的硬件從而大幅提高相位噪聲的測(cè)量靈敏度。

鑒相器方法測(cè)量相位噪聲的優(yōu)點(diǎn)有：

·    可以區(qū)分調(diào)幅噪聲和相位噪聲

·    測(cè)量相位噪聲的靈敏度大幅度提高，互相關(guān)算法可突破儀表自身相位噪聲的限制。鑒相器的載波抑制效果可以回避動(dòng)態(tài)范圍問(wèn)題。

·    可以測(cè)量近載波的相位噪聲。

三、兩種定義的差異

射頻工程師在測(cè)量相位噪聲時(shí)，很可能兩種定義都會(huì)接觸到。當(dāng)使用頻譜儀測(cè)試時(shí)，是依據(jù)相位噪聲的頻譜定義；當(dāng)使用更專業(yè)的相位噪聲分析儀（或稱為信號(hào)源分析儀）測(cè)試時(shí)，則是依據(jù)相位噪聲的相位定義。那么兩種定義下測(cè)量出的相位噪聲是否有差異呢？

我們可以考慮一種最簡(jiǎn)單的情況，沒(méi)有幅度波動(dòng)，只考慮相位波動(dòng)φ(t) 的一個(gè)頻率分量：S_φ (f) ·sin(2πft )：

當(dāng)相位噪聲的頻譜分量S_φ (f) 較小時(shí)，根據(jù)和的一階小量近似。

角頻率ω的載波信號(hào)幅度為A，角頻率ω+2πf 和ω-2πf 的噪聲信號(hào)的幅度為。偏離載波f的噪聲信號(hào)與載波功率之比為：。兩種定義一致。

因此，在相位噪聲較小時(shí)，兩種定義得到的測(cè)量結(jié)果是一致的。而一般工程上需要測(cè)量相位噪聲的情況都是相位噪聲比較小的情況，因此無(wú)需擔(dān)心兩種定義的測(cè)量差異。按照工程經(jīng)驗(yàn)，在相位噪聲小于-80dBc/Hz時(shí)，兩種定義之間的測(cè)量差異可以忽略。

但是兩種定義并非沒(méi)有區(qū)別，新的相位定義已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的頻譜定義，并且新的定義在數(shù)學(xué)上更加簡(jiǎn)潔、更加回歸物理量的本質(zhì)。同時(shí)，新的相位定義并不排斥相位噪聲大于0 dBc/Hz的情況，下次如果發(fā)現(xiàn)近載波相位噪聲的測(cè)量結(jié)果大于0 dBc/Hz，也無(wú)需太過(guò)驚訝。