测量信号发生器的频谱纯度是评估其输出信号质量的关键步骤，主要关注相位噪声（Phase Noise）、杂散信号（Spurious Signals）和谐波失真（Harmonic Distortion）等指标。以下是详细的测量方法、工具及操作步骤：

一、核心测量指标

1. 相位噪声（Phase Noise）
   • 定义：信号频率的短期随机波动，表现为频谱中主信号两侧的“裙边”噪声。
   • 影响：降低雷达分辨率、通信系统误码率（BER）和时钟同步精度。
   • 典型规格：在10kHz频偏处，高端信号发生器相位噪声可达-140dBc/Hz。
2. 杂散信号（Spurious Signals）
   • 定义：主信号频点外非谐波相关的离散频率分量，通常由电源噪声、数字电路干扰或机械振动引入。
   • 影响：在接收机测试中可能掩盖弱信号，导致灵敏度测试失效。
   • 典型规格：杂散抑制比（Spurious Suppression）通常要求＞70dBc（相对于主信号）。
3. 谐波失真（Harmonic Distortion）
   • 定义：主信号频率整数倍（2f₀, 3f₀…）处的信号分量，由非线性放大器或混频器产生。
   • 影响：在多频系统（如5G NR）中可能引发互调干扰。
   • 典型规格：二次谐波抑制比（2nd Harmonic Suppression）通常要求＞40dBc。

二、测量工具与设备

三、分步测量方法

1. 相位噪声测量

方法一：直接频谱法（适用于频偏＞1kHz）

1. 连接设备：将信号发生器输出通过同轴电缆连接至频谱分析仪射频输入端。
2. 设置参数：
   • 中心频率（Center Frequency）：设为信号发生器输出频率（如1GHz）。
   • 分辨率带宽（RBW）：设为频偏的1/10（如测量10kHz频偏时，RBW=1kHz）。
   • 扫描时间（Sweep Time）：自动或手动调整至稳定显示频谱。
3. 读取数据：在频偏Δf（如10kHz）处测量相位噪声电平（单位：dBc/Hz）。
   • 示例：若频谱分析仪显示1GHz信号在10kHz频偏处的噪声电平为-135dBm，而主信号功率为+10dBm，则相位噪声为-145dBc/Hz（需扣除主信号功率）。

方法二：交叉相关法（适用于低频偏＜1kHz）

1. 连接设备：使用相位噪声测试系统（如Keysight E5052B），将信号发生器输出同时接入两个独立通道。
2. 交叉相关处理：系统通过交叉相关算法抑制仪器本底噪声，提升低频偏测量精度。
3. 读取数据：直接获取相位噪声曲线（如1Hz频偏处相位噪声为-120dBc/Hz）。

2. 杂散信号测量

1. 连接设备：信号发生器→（可选LNA）→频谱分析仪。
2. 设置参数：
   • 频宽（Span）：设为信号频率的20%（如1GHz信号设为200MHz）。
   • 参考电平（Ref Level）：略高于主信号功率（如+15dBm）。
   • 衰减器（Attenuator）：自动或手动调整，避免输入过载。
3. 扫描与标记：
   • 启用“Max Hold”功能捕获瞬态杂散。
   • 使用标记功能（Marker）测量各杂散分量相对于主信号的电平（如-80dBc）。
4. 判断标准：若杂散抑制比＜规格书要求（如＜70dBc），则需检查信号发生器电源滤波或屏蔽设计。

3. 谐波失真测量

1. 连接设备：信号发生器→频谱分析仪（无需LNA，因谐波功率较高）。
2. 设置参数：
   • 频宽（Span）：设为3~5倍主信号频率（如1GHz信号设为5GHz）。
   • 分辨率带宽（RBW）：设为1kHz~10kHz（平衡速度与精度）。
3. 测量谐波：
   • 标记二次谐波（2f₀=2GHz）和三次谐波（3f₀=3GHz）。
   • 读取谐波电平（如二次谐波为-50dBm，主信号为+10dBm，则抑制比为-60dBc）。
4. 优化建议：若谐波抑制比不足，可在信号发生器输出端添加低通滤波器（LPF）。

四、关键注意事项

1. 动态范围限制：
   • 频谱分析仪动态范围不足时，主信号可能掩盖低电平杂散。解决方案：
     • 使用输入衰减器降低主信号功率。
     • 插入带通滤波器抑制主信号能量（如中心频率1GHz，带宽100MHz）。
     • 启用频谱分析仪的“Noise Floor Extension”功能（如Keysight N9040B）。
2. 校准与补偿：
   • 测量前需对频谱分析仪进行频率响应校准（Frequency Response Calibration），消除仪器本身频响误差。
   • 若使用LNA，需扣除其增益（如LNA增益为30dB，测量杂散电平为-50dBm，则实际杂散电平为-80dBm）。
3. 环境干扰抑制：
   • 避免在无线通信基站附近测量，防止外部信号干扰。
   • 使用屏蔽电缆（如双绞线或同轴电缆）连接设备，减少辐射耦合。

五、典型测试案例

案例：测量1GHz信号发生器的相位噪声

1. 设备：Keysight E8267D信号发生器、R&S FSW频谱分析仪。
2. 步骤：
   • 设置信号发生器输出1GHz，+10dBm。
   • 连接FSW，设置中心频率1GHz，RBW=1kHz，Span=100kHz。
   • 在10kHz频偏处读取噪声电平为-138dBm，扣除主信号功率后相位噪声为-148dBc/Hz。
3. 结果分析：优于设备规格书要求的-140dBc/Hz（10kHz频偏处），表明信号发生器相位噪声性能达标。

总结

• 相位噪声：优先使用交叉相关法测量低频偏，直接频谱法适用于高频偏。
• 杂散信号：通过频宽扫描和标记功能定位离散分量，结合滤波器提升动态范围。
• 谐波失真：扩大频宽捕获高次谐波，使用低通滤波器优化抑制比。
• 关键工具：频谱分析仪是核心设备，相位噪声测试系统可提升低频偏测量精度。
• 环境控制：避免外部干扰，确保校准有效性，以获得准确可靠的测量结果。