測量（liàng）信號發生器的頻（pín）譜純度是評估其輸出信號質（zhì）量的關鍵步（bù）驟，主（zhǔ）要關注相位噪聲（Phase Noise）、雜散信號（Spurious Signals）和諧波失真（Harmonic Distortion）等指標（biāo）。以下是詳（xiáng）細的測量方法、工具及操作步驟：
一、核心測（cè）量指標
- 相位噪聲（Phase Noise）
- 定義：信號頻率的短期隨機波動，表現為頻譜中主信號兩側的“裙邊”噪聲。
- 影響：降低雷達分辨率、通信係統誤碼率（BER）和時鍾同步精度。
- 典型規格：在10kHz頻偏處，高端信號發（fā）生器相（xiàng）位噪聲可達-140dBc/Hz。
- 雜散信號（hào）（Spurious Signals）
- 定義：主信號頻點外非諧（xié）波相關的離散頻率分量，通常由（yóu）電源噪聲、數（shù）字（zì）電路幹擾或機械振動引入。
- 影響：在接收機測（cè）試中可能掩蓋弱信號（hào），導致靈敏度測試失效。
- 典型規（guī）格：雜散抑製比（bǐ）（Spurious Suppression）通常要求＞70dBc（相對（duì）於（yú）主信號）。
- 諧波失（shī）真（Harmonic Distortion）
- 定義：主信號頻率整數倍（2f₀, 3f₀…）處的（de）信號分量，由（yóu）非線性放大器或混頻器產生。
- 影響：在多頻係統（tǒng）（如5G NR）中可能（néng）引發（fā）互調幹（gàn）擾。
- 典型規格：二次諧波抑製比（2nd Harmonic Suppression）通常要求＞40dBc。
二、測量工具與（yǔ）設備（bèi）
| 設（shè）備名稱 | 核心功能 | 典型型號 |
|---|
| 頻譜分析儀 | 直接測量頻譜純度（dù），支持相位噪（zào）聲、雜散和諧波分析。 | Keysight N9040B UXA、R&S FSW |
| 相位噪聲測試係統 | 專用於高精度相位噪聲（shēng）測量，支持低頻偏（piān）（如1Hz）測試。 | Keysight E5052B、Holzworth HA7062 |
| 信號源（yuán）分析儀 | 集成頻（pín）譜（pǔ）分析、相（xiàng）位噪聲和雜散測量功能，簡化操作流程。 | Keysight E5053A、R&S FSPN |
| 低噪聲放大器（LNA） | 提升（shēng）小信號檢測能力，用於測量極低電平的雜散（sàn）或相位（wèi）噪（zào）聲。 | Mini-Circuits ZX60-P33ULN+ |
| 濾波器組 | 抑（yì）製主信（xìn）號能量（liàng），避免頻譜分析儀動態範圍不足導致的測量誤差（chà）。 | 定製帶通濾波器（中心（xīn）頻率=f₀） |
三、分步測量方法
1. 相位噪聲測量
方法一：直接（jiē）頻譜法（適用於頻偏＞1kHz）
- 連接設備：將信號發（fā）生器輸出通過同軸電纜連接至頻譜分（fèn）析儀射頻輸入端。
- 設置參數：
- 中心頻率（Center Frequency）：設為信號發生（shēng）器輸出頻率（如1GHz）。
- 分辨率帶寬（RBW）：設為頻偏的1/10（如測量10kHz頻偏時，RBW=1kHz）。
- 掃（sǎo）描時間（Sweep Time）：自動或手動調（diào）整至穩定顯示頻譜。
- 讀取數據：在頻偏Δf（如10kHz）處測量相位噪（zào）聲電平（單位：dBc/Hz）。
- 示例：若頻譜分析儀顯示1GHz信號在10kHz頻偏處的噪聲電平為（wéi）-135dBm，而主信號功率為+10dBm，則相位噪聲為-145dBc/Hz（需扣除主信（xìn）號功率）。
方法（fǎ）二：交叉相關法（適用於低頻偏＜1kHz）
- 連接（jiē）設備：使用相位噪聲（shēng）測試係統（如（rú）Keysight E5052B），將信號（hào）發生器輸出同時接入兩個獨立通道。
- 交叉相關處（chù）理：係統通過交叉相關算法抑製儀器本底噪聲，提升低頻偏測量精（jīng）度。
- 讀取數據：直接獲取相位噪聲曲線（如1Hz頻偏（piān）處相位噪聲為-120dBc/Hz）。
2. 雜散信（xìn）號測量
- 連接設（shè）備：信號發生器（qì）→（可選LNA）→頻（pín）譜分析儀。
- 設置（zhì）參數（shù）：
- 頻寬（Span）：設為信號頻率的20%（如1GHz信號設（shè）為200MHz）。
- 參考（kǎo）電平（Ref Level）：略高（gāo）於主信號功率（如（rú）+15dBm）。
- 衰減器（qì）（Attenuator）：自動或手動調整，避免輸入過載。
- 掃描與標（biāo）記：
- 啟用“Max Hold”功能捕獲瞬（shùn）態雜散。
- 使用標記功能（Marker）測量各雜散分量相對（duì）於主信號的電平（如-80dBc）。
- 判斷標（biāo）準：若雜散抑製比＜規格（gé）書要求（如＜70dBc），則需檢查信號發生器電源濾波或屏蔽設計。
3. 諧波失真測量
- 連接設備：信（xìn）號發生器→頻譜分析儀（無需LNA，因諧波功（gōng）率較高）。
- 設置參數：
- 頻寬（Span）：設為3~5倍主信號頻率（如1GHz信號設為5GHz）。
- 分辨率帶寬（RBW）：設為1kHz~10kHz（平衡速（sù）度與精度）。
- 測量諧波：
- 標記二次諧（xié）波（2f₀=2GHz）和三（sān）次諧波（3f₀=3GHz）。
- 讀取諧波電平（如二次諧波（bō）為-50dBm，主信號為+10dBm，則抑（yì）製比為（wéi）-60dBc）。
- 優化建議：若諧波抑製比不足，可在信號（hào）發生器輸出端添（tiān）加低通濾波器（LPF）。
四、關鍵注意事項
- 動態範圍限製：
- 頻譜分析儀動態範（fàn）圍不足時，主信號可能（néng）掩蓋低電平雜散。解決方案：
- 使用輸入衰減器（qì）降低主信號（hào）功率。
- 插入帶通（tōng）濾波器抑製主信號能量（如中心頻率1GHz，帶寬100MHz）。
- 啟用頻譜分析儀的“Noise Floor Extension”功能（如Keysight N9040B）。
- 校準與補償：
- 測量前需對頻譜分析儀進行頻率響應校準（Frequency Response Calibration），消除儀（yí）器本身頻響誤差。
- 若使用LNA，需扣除其增益（如LNA增益為（wéi）30dB，測量雜（zá）散電平為-50dBm，則實際雜散電（diàn）平為-80dBm）。
- 環境幹擾抑製：
- 避免在無線通信基站附近測量，防止外部信號（hào）幹擾。
- 使（shǐ）用屏蔽電纜（如雙絞線或同軸電纜）連（lián）接設（shè）備，減少（shǎo）輻射耦合。
五、典型測試案例
案（àn）例：測量1GHz信號發生器的相位噪聲（shēng）
- 設備：Keysight E8267D信號（hào）發生器、R&S FSW頻譜分析儀。
- 步驟：
- 設置信號發生器輸（shū）出1GHz，+10dBm。
- 連（lián）接FSW，設（shè）置中心頻（pín）率1GHz，RBW=1kHz，Span=100kHz。
- 在10kHz頻偏處讀取噪聲電平為-138dBm，扣除主信號功率後相位噪聲為-148dBc/Hz。
- 結果分析：優於設（shè）備規格書要求的（de）-140dBc/Hz（10kHz頻偏處），表明信號發生（shēng）器相（xiàng）位噪聲性能達標。
總結
- 相位噪聲：優（yōu）先使用交叉相（xiàng）關法測量低頻（pín）偏，直接頻譜法適（shì）用於高（gāo）頻偏。
- 雜散信號：通過頻寬掃描和標記功能定位離散分量，結合濾波器提升動態範圍（wéi）。
- 諧波失真：擴（kuò）大頻寬捕獲高次諧波（bō），使用低通濾波器優化抑製比。
- 關鍵工（gōng）具：頻譜分析儀是核心設備，相位噪（zào）聲測試係統可提升低（dī）頻偏測量精度。
- 環（huán）境控製：避（bì）免外部幹擾，確保校準有效性，以獲得準確可靠的測量結果。
