相位噪声测量技术

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1、相位噪声及其测试技术相位噪声及其测试技术Phase Noise and Its measurement techniques摘要：本文简要阐述了相位噪声的概念及其表征，并对相位噪声和相位噪声测试 方法进行了分析,并在此基础上提出了一种新的相位噪声测试方法基于带通采 样的中频频谱分析法。一、引言- 现代电子系统和设备都离不开相位噪声测试的要求，因为本振相位噪声影响着调频、 调相系统的最终信噪比，恶化某些调幅检波器的性能；限制频移键控(FSK)和相移键控(PSK) 的最小误码率；影响频分多址接收系统的最大噪声功率等。在很多高级电子系统和设备中，核 心技术中往往有一个低相位噪声频率源。可见对 相位噪

2、声进行表征、测试以及如何减小相位噪 声是现代电子系统中一个回避不了的问题。本文较详细的阐述了相位噪声的概念及其表征，并 在分析其通用的测试技术 的同时提出了一种新的测试方法基于带通采样的中频频谱分析 法。二、相位噪声的概念及其表征- -相位噪声一般是指在系统内各种噪声作用下引起的输出信号相位的随机起伏。通常相 位噪声又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。所谓频率短期稳定度, 是指由随机噪声引起 的相位起伏或频率起伏。至于因为温度、老化等引起的频率慢漂移,则称之为频率长期稳定度。 通常我们主要考虑的是频率短期稳定度问题，可 以认为相位噪声就是频率短期稳定度。-一个理想的正弦波信号可用下式表示：V

3、(t)=A0sin2n fOt (1)-式中，V(t)为信号瞬时幅度，A0为标称值幅度，fO为标称值频率。此时信号的频谱为 一线谱。但是由于任何一个信号源都存在着各种不同的噪声，每种噪声分量各不相同，使得实 际的输出成为：V(t) = A0+ (t)sin2n fOt+j(t)(2)-在研究相位噪声的测量时，由于考虑振荡器的幅度噪声调制功率远小于相位噪声调制功 率，所以丄(t )|A0,通常可以将 (t)忽略不计，而主要是对j(t)项进行测量，故可以得到:-V(t)=A0sin2n fOt+j(t)(3)-对j(t)的测量，可以用各种类型的谱密度来表示。显然此时的相位起伏为 j(t)=j(t)

4、, 频率起伏为 f(t) = dj(t)/dt/2n。常用的相对频率起伏：y(t)二dj(t)/dt/2n f0 (4)-由于相位噪声j(t)的存在，使频率源的频率不稳定。这种不稳定度常用时域阿仑方差 a 2y(2,T ,T )及频域相对单边带功率谱(简称功率谱)Lp(f)或相噪功率谱Sj(f)来表征。它们 的定义为：-a 2y(z)=a 2(2, T , T )=(1/v20)(1/2)(y1-y2)2 (5)-式中y1, y2为测量采样时间t的相邻二次测量测得的频率平均值。-Lp(f)=PSSB(f)/P0(dBc/Hz) (6)-其中PSSB(f)为一个相位噪声调制边带在频率为f处的功率

5、谱密度，P0为载波功率。由(3)及(4)式得相位起伏的自相关函数Rj(T ) = j(T )， j(t+T )和相对频率起伏 的自相关函数 Ry(T )=y(T ), y(t+T )，由维纳-钦辛定理可知自相关函数和功率谱密度间存 在如下关系表示傅里叶变换对。通常j(t)1,近似有-Lp(f)=(1/2)Sj(f)(7)三、相位噪声的测试技术-传统的测试方法主要有直接频谱仪法、基于低通采样的鉴频法和鉴相法, 另外一种就是 本文提到的基于带通采样的中频频谱分析法。-1.直接频谱仪法- -将未调制的高频或者微波载频信号直接加到频率范围及性能适合的高频或者微波频谱 仪上, 显示出该信号的频谱, 便可

6、观测出该被测信号的噪声。目前常用的谱分 析仪一般分为两 类:一类是频谱分析仪，它允许输入信号具有很宽的频率范围,且具备中等程度的分析带宽。以HP 8568A为例，其工作频率范围为100Hz1.5GHz,最小分析带宽为10Hz。另一类称为波形分析仪, 它一般工作在较低的频段, 但具有很高的频率 分辨率。以 HP 3582A 为例, 其工作频率范围为 0.02Hz25.599Hz, 频率分辨率为 0.02Hz。- -直接频谱仪法是一种最容易、最简单的相位噪声测量技术，它可以直接显示单边带相 位噪声 Lp(f), 精确地显示两边带上的离散信号。该方法最适宜测量漂移 较小但相位噪声相对较 高的信号源。

7、其缺点是不能测量频谱纯净的源，这主要是受频谱仪的动态范围和最小分辨带宽 的限制；不能分辨调幅噪声和相位噪声，故对调 幅噪声严重的源不能直接测得相位噪声 Lp(f)， 也不适于测量漂移严重的源的 Lp(f)。-2. 鉴频法-鉴频法也称单源法。就是将被测信号源的频率起伏 f由某种微波鉴频器变为电压起伏 V,用基带频谱仪进行测量，直接得出SA f(f),进而也可求出Sj(f)或者Lp(f)。-系统工作原理如下：将被测源信号经功分器分两路，一路经宽带延迟线时延T d,以便 将频率起伏变为相位起伏j后进入鉴相器，另一路信号经宽带可变移相器相移后进入鉴相器 进行正交鉴相，由鉴相器将相位噪声转换为电压噪声，

8、经 A/D、FFT 和功率谱估计等信号处理后， 测得被测信号的相位噪声功率谱Sj(f)和相对单边功率谱Lp(f)。-Lp(f) = (l/2)Sj(f)=SA f(f)/f2=Sv (f)/K2df2-Kd=2n T dKj式中，SA f(f)为被测源信号频率起伏功率谱，Sv (f)为鉴相器输出电压功率谱，Kd为 鉴频系数， Kj 为鉴相器系数。-鉴频法具有不需要参考频率源、低的宽频带噪声底部、抑制调幅、结构简单等特点。但 是该方案在近载频处系统灵敏度低，Sj(f)*l/f2 ；宽带延迟线、宽带移相器制作困难，只适宜 于测量近载频噪声电平较高，即频率随机漂移较大振荡器。-3.鉴相法-鉴相法也称

9、相位检波器法，这种方法是将被测信号与一同频高稳定的参考源进行正交鉴 相，该法的脉冲调制波频稳测试系统方框图如图2所示。ATX 11T.E1J.*小f由卜-在此方案中，采用外差方式将被测源信号降至中频，在中频用晶体滤波器和含VCXO(压 控晶体振荡器)的PLL提纯，以获取被测信号的连续载波信号，该信号经相移后与被测信号鉴 相器中正交鉴相，提取被测信号的相位噪声。提纯载波信号的目的是为了避免被测信号中的相 位噪声与载波信号在鉴相器中互相抵消，造成 测试误差。鉴相器将被测信号的相位噪声转换为 电压噪声。经A/D、FFT、功率谱估计等信号处理后，测得Sj(f)或Lp(f)。如果用于连续波相噪 测 试，

10、则该测试系统的相位提纯支路可进一步简化。-该方案的优点是采用外差方案，被测信号频率范围宽，系统灵敏度较高。缺点是载波提 纯，移相器的研制较困难，而且相移器、晶体滤波器特性、鉴相增益Kj等受温度和噪声大小等 诸多因素的影响而变化，不易实现自动化测量。- 4.中频谱分析法中频频谱分析法频稳测试实验系统方框图如图 3 所示。在图3系统中，被测源信号与参考源信号混频后产生一个中频信号,该信号经声表(SAW) 滤波器，低噪声放大后进入A/D变换器，A/D变换器的采样频率需满足带通采样定理，采样频 率信号由DDS和PLL产生，采得的数据经高速缓存送入PC进行数据处理，经FFT、功率谱估计 等，获得的Sj(

11、f)或Lp (f)可直接在PC屏幕上显示。-该方案在中频进 行带通采样，利用现代数字信号处理技术获得被测脉冲调制波的 Sj(f) 或Lp(f)，大大简化了脉冲调制波频稳测试系统的复杂度，并具有测试高度自动化的优点。随 着高速、高精度 A/D 变换器技术指标的不断提升，测试系统的灵敏度将更进一步提高，并满足 现代脉冲调制波频稳测试的更高要求。图 3 的实验系统，仅 用了一个中频，由于被测源频率范 围很宽，实用的测试系统应采用多中频方案。四、结束语-相位噪声是许多现代电子系统和设备(包括测控、雷达、通信、导航、干涉仪、射电天 文、电子测量和近代物理实验等)的一项重要技术指标和关键性技术问题，通过相位噪声的表 征和测试的研究，找到影响频率源稳定性的因素，可应用于频率源的设计和研制提高频率源的 质量。