具有两种测量功能的高性能频谱分析仪FSU的设计

引言

无线传输的收发模块的性能主要取决于所用本振的相位噪声，因此模块特性的准确测量，特别是相位噪声的测量，是进行有效通信和广播的基本保证。在常用的相位测量应用中，一台频谱分析仪通常可以满足测试要求。但是，如果需要更大的动态范围、更高的测量精度以及更多的灵活性时，基于锁相环（PLL）的测量法更适合相位噪声的测量。信号源分析仪FSUP在一台仪表上集合了这两种功能：一台50GHz的高性能频谱分析仪FSU，同时具备基于锁相环测量法的相位噪声测量功能。

基于锁相环法测量相位噪声

通常，基于锁相环法测量相位噪声非常复杂，而测量的校准工作更为麻烦。FSUP为客户大大地简化了整个测量步骤，使得相位噪声的测量只需一个按键。此外，用户可以选择外部或内部参考源，也可以选择任一种参考源和比较器。然而，更多的应用是利用内部比较器和内部参考源进行测量， FSUP将这样的测量方式设置为默认方式，当然用户也可通过简易的菜单选择其它测量方式。

图1 利用鉴相器法测量相位噪声－信号频率、电平以及残余噪声的同时显示

仪器中的预测量功能会测量振荡器的所有重要参数，比如功率和调谐斜率等。然后FSUP将自动选择理想的测量参数。根据输入频率的不同，仪器利用内部的频率倍频器使内部参考源工作在一个理想的范围内。同时，用户也可以改变预置的参数。频率偏移范围以及其它一些测量设置参数，像带宽、滤波器类型、平均次数等同样容易设置。菜单的设置跟应用固件FS-k40相类似，从而使得操作非常简单。

当开始测量相位噪声时，屏幕上会显示“Locked”或者“Unlocked”表明锁相环是否锁定，如果已经锁定则测量可以开始。环路带宽可以根据需要而改变，同时在测量过程中鉴相器的电压输出会在屏幕上显示。用户可以选择以下其一功能：显示所有的杂散分量（像由AC频率干扰或鉴相频率引起的杂散）或者是消除所有的或特定指明的干扰分量。同时，FSUP也可以显示完整的参数（像残余调频/调相或者是RMS抖动等）。计算范围包括整个测试范围内，而综合限制可以由用户来设置。

为了保证能准确测量振荡器的相位噪声，内部参考源的相位噪声相对于被测件来说必须要小到可以忽略的程度。FSUP内部参考源提供极好的相位噪声特性以满足测试需求。输出频率为640MHz，偏离载波10kHz时相位噪声为-136dBc/Hz，偏离载波10MHz时为-165dBc/Hz。

利用互相关技术降低相位噪声

安装FSUP－B60选件后，信号源分析仪就配备了两路平衡接收通道。这种对称结构可以对两路通道进行互相关运算，通过这样的运算可以消除两路参考源的非相关固有噪声。混合的分量可以通过平均来消除，最终剩下的只有被测件的固有噪声，这使灵敏度不再局限于内部参考源的固有相位噪声。测量的改善程度主要决定于平均的次数，而最大可以改善达20dB。

图3 互相关技术提高相位测量的灵敏度的原理

顶级的频谱分析仪功能

信号源分析仪FSUP整合了一台50GHz高性能频谱分析仪。用户可利用频谱仪直接测量相位噪声，这种测试方法的灵敏度决定于频谱边带的功率谱密度。缺点是显而易见的：需要更长测量时间、灵敏度较低、测量动态范围较小；在频谱仪模式下无法应用互相关技术，也不能区分幅度噪声和相位噪声，杂散的计算或消除也更为复杂。然而，其优点也很明显，可以获得很大的测量频率偏移。因此，频谱分析仪在测量相位噪声中是一个必不可少的仪器。当测量谐波或干扰信号时，该仪器提供超越频谱仪基本功能的能力，如测量杂散信号。它可在各段的扫描范围内设置不同的测量参数，自动搜索干扰和杂散信号，可计算高达100000的杂散测量点数，测量结果以一个列表的形式显示。

图4 对带有输出带滤波器的振荡器的测量说明通过互相关技术对灵敏度的改善

在信号源特性测量中邻信道功率同样是一重要指标。FSUP具有快速测量邻信道功率的功能。用户可以直接从预设置中选择测量参数，也可以独立设置信道带宽和信道间距。FSUP的标准配置中同样提供了很大的动态范围。该仪器像FM/PM/AM解调器一样可以测量振荡器信号的时间特性，具有对瞬态特性进行宽带分析和对高频切换引起的影响进行测试的功能。

振荡器的完整特性测量

为了记录振荡器的各种特性，同时利用锁相环测试方法测量相位噪声，用户必须准确设置压控振荡器的工作电压和调谐电压。为了满足这样的需要， FSUP提供了两组独立的低噪声直流电输出端口。工作电压和调谐电压可以通过简易的菜单进行设置。为了满足特殊的应用， FSUP同时提供负电压的输出。为了测量压控振荡器的特性，需要进行以下这些典型测量：在固定的工作电压下，改变调谐电压（调谐特性），或者在固定调谐电压，而改变工作电压（直流特性），也可以在工作电压和调谐电压同时改变下测量。另外，这些参数的测量不仅可以在基波下测量，同时可以在谐波下测量。对于这些测量，用户可以通过设定不同的测量点数来达到测量所需的分辨率。

结语

FSUP结合了相噪测试仪，瞬态测试仪和频谱分析仪的功能，是一台适合在研发和生产应用的理想仪器。这台仪表可以使用户减少在信号源分析仪的投入，而测试更加简易、功能更多。所有的功能可以通过LAN或GPIB总线作远程控制，因此该仪表能够很容易集成到生产线上。

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