频谱分析仪的相位噪声和本底噪声

一、相位噪声

虽然我们看不到频谱分析仪本振系统的实际频率抖动，但仍能观察到本振频率或相位不稳定性的明显表征，这就是相位噪声 (有时也叫噪声边带)。没有一种振荡器是绝对稳定的，它们都在某种程度上受到随机噪声的频率或相位调制的影响。如前所述，本振的任何不稳定性都会传递给由本振和输入信号所形成的混频分量，因此本振相位噪声的调制边带会出现在幅度远大于系统底噪的那些频谱分量周围 (图 1-1)。显示的频谱分量和相位噪声之间的幅度差随本振稳定度而变化，本振越稳定，相位噪声越小。它也随分辨率带宽而变，若将分辨率带宽缩小 10 倍，显示相位噪声电平将减小10dB。

图 1-1 只有当信号电平远大于系统底噪时, 才会显示出相位噪声

图1-2 相位噪声对于小信号测试的影响

相位噪声频谱的形状与分析仪的设计，尤其是用来稳定本振的锁相环结构有关。在某些分析仪中，相位噪声在稳定环路的带宽中相对平坦，而在另一些分析仪中，相位噪声会随着信号的频偏而下降。相位噪声采用 dBc (相对于载波的 dB 数) 为单位，并归一化至 1 Hz 噪声功率带宽。有时在特定的频偏上指定，或者用一条曲线来表示一个频偏范围内的相位噪声特性。

通常，我们只能在分辨率带宽较窄时观察到频谱仪的相位噪声，此时相位噪声使这些滤波器的响应曲线边缘变得模糊。使用前面介绍过的数字滤波器也不能改变这种效果。对于分辨率带宽较宽的滤波器，相位噪声被掩埋在滤波器响应曲线的边带之下，正如之前讨论过的两个非等幅正弦波的情况。

在任何情况下，相位噪声都是频谱仪分辨不等幅信号能力的最终限制因素。如图3-3所示，根据 3 dB 带宽和选择性理论我们应该能够分辨出这两个信号，但结果是相位噪声掩盖了较小的信号。

频谱仪的本振信号的相位噪声，经过混频器混频，将在输入信号上产生相应的相位噪声，这就意味着即使是输入一个理想的正弦信号，频谱仪的本振相位噪声也将在显示的谱线上叠加，如果输入信号夹带相位噪声，频谱仪的显示轨迹就包含了输入信号和本振信号合成的相位噪声。本振的相位噪声很差的情况下，输入信号邻近的小信号就无法检测出来。

相位噪声主要影响频谱仪的分辨率和动态范围。

图1-3. 相位噪声阻碍了对非等幅信号的分辨

二、频谱仪的本底噪声

频谱分析仪的主要用途之一是搜索和测量低电平信号。这种测量的最终限制是频谱仪自身产生的噪声。这些由各种电路元件的随机电子运动产生的噪声经过分析仪多级增益的放大最后作为噪声信号出现在显示屏上。该噪声在频谱分析仪里通常称为显示平均噪声电平 (Displayed Average NoiseLevel，DANL)。虽然使用一些技术可以测量略微低于DANL 的信号，但是 DANL 始终限制着我们测量低电平信号的能力。

本底噪声是频谱仪灵敏度的重要度量指标，决定了频谱仪可以检测到的最小电平。

如FSQ(RS 的一款频谱仪) -148dBm@10Hz,0dB 衰减

假设Rfatt 为30dB

计算出：本底噪声= -80.5dBm

这时候测试不出来-80dBm 的信号

图1-4 RFatt与平均显示电平

图1-5 RBW与平均显示电平

频谱分析仪显示的噪声本底电平依赖于衰减器的设置，如图3-4，每增加10dB的衰减量，显示的噪声电平将提高10dB。

因为热噪声频率功率密度在噪声带宽内是连续的，所以显示的本底噪声电平是与选取的中频滤波器(RBW)的带宽有关，可以通过计算而得。如图3-5，RBW每增加10倍，噪声电平增大约10dB。图中，RBW为1MHz和300KHz时，本底噪声电平较低，S/N较高，信号的功率测试时，基本不受RBW影响，但RBW为3MHz时，本底噪声电平与信号功率比较接近，是信号的功率测量值偏高。

1.3 1dB 压缩点

dB压缩点定义：由于器件饱和区的影响，增益降低1dB的点。与截止点类似，1dB压缩点可以指输入电平或输出电平。对于功率放大器来说，通常给出输出1dB压缩点，对于频谱仪来说，为输入的1dB压缩点。(相类似于LNA的IP1dB)

图1-6 1dB压缩点定义

频谱仪的1dB压缩点特性主要受第一级混频器(衰减为0dB)决定，标称的1dB压缩点指的是混频器输入端口的电平。增加衰减器的设置值，1dB压缩点会随衰减器的增大而以同样的数值增加。

为了避免过载失真，最大输入电平应该远低于1dB压缩点。

1.4 动态范围

动态范围是频谱分析仪同事处理不同电平信号的能力。动态范围的限值依赖于实际所要进行的测量，动态范围下限是由自然噪声或相位噪声决定的，动态范围的上限是由1dB压缩点或由频谱仪过载而造成的失真决定的。动态范围可以以不同的方式定义，和我们平时所说的显示范围的概念不一样。

电平显示范围，从平均噪声电平到最大输入的电平。频谱仪为了显示最大输入电平的信号，常常需要将衰减器设置的非常大，这样频谱仪显示的噪声就不可能是最小值。频谱仪为了显示接近平均噪声电平的信号，衰减器设置到足够小，这时候也不能够测试最大输入电平的信号。

所以最大动态范围通常是在最小分辨率带宽的情况下，显示的噪声电平作为下限，1dB压缩点作为上限。如果达到第一级混频器的输入电平高出1dB压缩点，那么将产生混频器非线性失真，使用较小的RBW时，失真产物就会明显地显示出来(他们不会被噪声淹没)，此时的频谱测量就不能明确反映被测设备的真实频谱。

图1-7 最大无互调范围和最大谐波抑制能够有效衡量仪器动态范围

对于混频器电平的选取需要找到合适的折中，如果ATT过大，混频器电平将降低，频谱仪产生的失真信号和互调产物就很微弱，但与此同时对于输入信号而言，信噪比降低，这种情况下，动态范围的下限就有固有躁底决定。

另一方面，如果混频器电平过高，失真和互调产物超过自然躁底，而在频谱仪上清晰分辨出来。实际测量中，无失真显示频谱范围是非常重要的。它由互调产物或是高次谐波失真限制这个范围，我们称这个范围为无互调范围或是最大谐波抑制，两者是由混频器电平和所选的RBW决定的。如果互调产物或者高次谐波电平与噪声电平相等，则达到了相应的最大值。

ATT值与内部混频器电平(失真信号，互调产物)，对混频器的电平选取应该找到合适的折中理论上射频最大无互调范围: 2X [IP3-Ldanl]/3

讨论下图 1-8 a、b。

图1-8 a

图1-8 b