相位噪聲：信號(hào)質(zhì)量的隱形殺手
在現(xiàn)代通信、雷達(dá)、電子測(cè)量等眾多領(lǐng)域，信號(hào)質(zhì)量是確保系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。而相位噪聲作為影響信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)，正逐漸成為研究與應(yīng)用的焦點(diǎn)。相位噪聲是指信號(hào)在傳輸過(guò)程中，由于各種噪聲源的干擾，使得信號(hào)相位發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)的現(xiàn)象。這種看似微小的波動(dòng)，卻能在實(shí)際應(yīng)用中引發(fā)嚴(yán)重后果。例如，在通信系統(tǒng)中，相位噪聲會(huì)導(dǎo)致信號(hào)解調(diào)錯(cuò)誤，降低通信的可靠性與數(shù)據(jù)傳輸速率；在雷達(dá)系統(tǒng)里，它會(huì)影響目標(biāo)檢測(cè)的精度與分辨率，甚至可能導(dǎo)致誤判。因此，準(zhǔn)確測(cè)量相位噪聲并采取有效措施降低其影響，對(duì)于提升各類電子系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。
信號(hào)發(fā)生器：相位噪聲測(cè)量的基石
信號(hào)發(fā)生器的基本原理與功能
信號(hào)發(fā)生器作為電子測(cè)量領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)備，能夠產(chǎn)生各種特定頻率、幅度和波形的電信號(hào)。其核心原理是基于振蕩電路，通過(guò)對(duì)電路參數(shù)的精確控制，產(chǎn)生穩(wěn)定的周期性信號(hào)。常見的信號(hào)發(fā)生器包括正弦波信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、任意波形信號(hào)發(fā)生器等，它們各自具備不同的特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景。在相位噪聲測(cè)量中，信號(hào)發(fā)生器扮演著至關(guān)重要的角色，它不僅為測(cè)量系統(tǒng)提供高精度的參考信號(hào)，還可模擬各種實(shí)際應(yīng)用中的信號(hào)場(chǎng)景，以便對(duì)被測(cè)設(shè)備或系統(tǒng)的相位噪聲性能進(jìn)行全面評(píng)估。

信號(hào)發(fā)生器在相位噪聲測(cè)量中的關(guān)鍵作用
1.提供純凈參考信號(hào)：在相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)中，一個(gè)低相位噪聲的參考信號(hào)是準(zhǔn)確測(cè)量的前提。信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生極為純凈的正弦波信號(hào)，其自身的相位噪聲水平極低，可作為基準(zhǔn)信號(hào)用于對(duì)比被測(cè)信號(hào)的相位噪聲。例如，在對(duì)射頻通信芯片的相位噪聲測(cè)試中，使用高精度的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生參考信號(hào)，將其與芯片輸出信號(hào)進(jìn)行混頻處理，通過(guò)分析混頻后的差頻信號(hào)，可精確測(cè)量出芯片輸出信號(hào)的相位噪聲。
2.模擬復(fù)雜信號(hào)場(chǎng)景：實(shí)際應(yīng)用中的信號(hào)往往并非單一的正弦波，而是包含了調(diào)制、多載波等復(fù)雜特性。信號(hào)發(fā)生器可通過(guò)編程或外部控制，生成具有各種調(diào)制方式（如幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制）以及多載波組合的復(fù)雜信號(hào)。以 5G 通信系統(tǒng)為例，信號(hào)發(fā)生器能夠模擬 5G 信號(hào)的多載波聚合、高階調(diào)制等特性，用于測(cè)試基站設(shè)備或終端設(shè)備在復(fù)雜信號(hào)環(huán)境下的相位噪聲性能，為設(shè)備的優(yōu)化與調(diào)試提供依據(jù)。
相位噪聲測(cè)量方法與信號(hào)發(fā)生器的協(xié)同工作
直接頻譜分析法
直接頻譜分析法是一種常用的相位噪聲測(cè)量方法。該方法利用頻譜分析儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，通過(guò)測(cè)量信號(hào)頻譜中邊帶噪聲的功率譜密度來(lái)確定相位噪聲。在這一過(guò)程中，信號(hào)發(fā)生器提供穩(wěn)定的參考信號(hào)，與被測(cè)信號(hào)一同輸入到頻譜分析儀中。頻譜分析儀通過(guò)對(duì)兩個(gè)信號(hào)的頻譜進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算出被測(cè)信號(hào)在不同頻率偏移處的相位噪聲。例如，在測(cè)量一個(gè)本地振蕩器的相位噪聲時(shí)，信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)頻率相近且低相位噪聲的參考信號(hào)，頻譜分析儀將兩者頻譜進(jìn)行比對(duì)，從而得出本地振蕩器在不同頻率偏移下的相位噪聲值。
鑒相器法
鑒相器法是另一種重要的相位噪聲測(cè)量手段。該方法使用鑒相器將被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行相位比較，輸出一個(gè)與相位差成正比的電壓信號(hào)。通過(guò)對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可得到相位噪聲的功率譜密度。信號(hào)發(fā)生器在此方法中同樣作為參考信號(hào)源，其輸出信號(hào)的穩(wěn)定性直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，在對(duì)鎖相環(huán)（PLL）電路的相位噪聲測(cè)試中，信號(hào)發(fā)生器提供穩(wěn)定的參考時(shí)鐘信號(hào)，與 PLL 輸出信號(hào)一同輸入到鑒相器中。鑒相器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波和放大后，送入頻譜分析儀進(jìn)行分析，從而得到 PLL 電路的相位噪聲性能。
不同類型信號(hào)發(fā)生器在相位噪聲測(cè)量中的應(yīng)用特點(diǎn)
模擬信號(hào)發(fā)生器
模擬信號(hào)發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，在一些對(duì)相位噪聲測(cè)量精度要求相對(duì)不高的場(chǎng)合仍有廣泛應(yīng)用。例如，在基礎(chǔ)電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，模擬信號(hào)發(fā)生器可用于初步演示相位噪聲的概念以及簡(jiǎn)單的測(cè)量方法。其產(chǎn)生的信號(hào)雖然在精度和穩(wěn)定性方面不如數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，但對(duì)于幫助學(xué)生理解相位噪聲測(cè)量的基本原理具有一定作用。
數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器
數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，能夠產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定性的信號(hào)。在相位噪聲測(cè)量中，其優(yōu)勢(shì)尤為明顯。它可以通過(guò)精確的頻率合成算法，生成極低相位噪聲的信號(hào)，滿足對(duì)高精度測(cè)量的需求。例如，在通信設(shè)備的研發(fā)與生產(chǎn)測(cè)試中，數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器常用于對(duì)射頻前端、調(diào)制解調(diào)器等關(guān)鍵部件的相位噪聲測(cè)試，確保設(shè)備在復(fù)雜通信環(huán)境下的性能符合標(biāo)準(zhǔn)。
任意波形信號(hào)發(fā)生器
任意波形信號(hào)發(fā)生器具有極高的靈活性，能夠根據(jù)用戶的需求生成各種復(fù)雜波形的信號(hào)。在相位噪聲測(cè)量中，它可用于模擬一些特殊的信號(hào)場(chǎng)景，如具有特定調(diào)制方式或突發(fā)特性的信號(hào)。例如，在雷達(dá)系統(tǒng)的研究中，任意波形信號(hào)發(fā)生器可生成模擬雷達(dá)回波信號(hào)，用于測(cè)試?yán)走_(dá)接收機(jī)在不同信號(hào)條件下的相位噪聲性能，為雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。
實(shí)際應(yīng)用案例分享
通信基站設(shè)備測(cè)試
在某通信運(yùn)營(yíng)商的 5G 基站建設(shè)過(guò)程中，為確?；驹O(shè)備的性能符合通信標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)基站的射頻模塊進(jìn)行嚴(yán)格的相位噪聲測(cè)試。使用一臺(tái)高精度的數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器作為參考信號(hào)源，與基站射頻模塊輸出信號(hào)一同輸入到專業(yè)的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)中。通過(guò)對(duì)不同信道、不同功率等級(jí)下的射頻信號(hào)進(jìn)行相位噪聲測(cè)量，發(fā)現(xiàn)部分基站在高功率輸出時(shí)相位噪聲超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。經(jīng)排查，是射頻模塊中的功率放大器存在非線性失真問(wèn)題，導(dǎo)致相位噪聲惡化。通過(guò)對(duì)功率放大器的電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并重新進(jìn)行相位噪聲測(cè)試，最終確保了基站設(shè)備的相位噪聲性能滿足 5G 通信要求，保障了通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面測(cè)試
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的相位穩(wěn)定性要求極高，微小的相位噪聲都可能導(dǎo)致定位精度的大幅下降。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地面測(cè)試中，利用任意波形信號(hào)發(fā)生器模擬衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)，包括復(fù)雜的調(diào)制方式和多頻信號(hào)組合。將模擬信號(hào)輸入到導(dǎo)航接收機(jī)中，同時(shí)使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的低相位噪聲參考信號(hào)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。通過(guò)對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)輸出信號(hào)的相位噪聲分析，發(fā)現(xiàn)某款接收機(jī)在多徑干擾環(huán)境下相位噪聲明顯增大，影響了定位精度。針對(duì)這一問(wèn)題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)接收機(jī)的信號(hào)處理算法進(jìn)行了優(yōu)化，提高了其抗多徑干擾能力，有效降低了相位噪聲，提升了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地面測(cè)試性能與實(shí)際應(yīng)用中的定位精度。

信號(hào)發(fā)生器作為相位噪聲測(cè)量中的核心設(shè)備，在保障各類電子系統(tǒng)性能方面發(fā)揮著不可替代的作用。從提供純凈參考信號(hào)到模擬復(fù)雜信號(hào)場(chǎng)景，從不同類型信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用特點(diǎn)到實(shí)際應(yīng)用案例的成功實(shí)踐，都充分展示了信號(hào)發(fā)生器在相位噪聲測(cè)量領(lǐng)域的重要價(jià)值。隨著科技的不斷進(jìn)步，通信、雷達(dá)、航空航天等領(lǐng)域?qū)π盘?hào)質(zhì)量的要求將越來(lái)越高，對(duì)相位噪聲測(cè)量的精度和效率也提出了更高的挑戰(zhàn)。未來(lái)，信號(hào)發(fā)生器有望在進(jìn)一步降低自身相位噪聲、提高頻率合成精度、增強(qiáng)信號(hào)生成靈活性等方面取得突破，同時(shí)與更先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)和算法相結(jié)合，為相位噪聲測(cè)量領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，助力各行業(yè)電子系統(tǒng)性能的持續(xù)提升。

審核編輯 黃宇