相位噪聲測(cè)量技術(shù)

1、相位噪聲及其測(cè)試技術(shù)相位噪聲及其測(cè)試技術(shù)Phase Noise and Its measurement techniques摘 要：本文簡(jiǎn)要闡述了相位噪聲的概念及其表征，并對(duì)相位噪聲和相位噪聲測(cè)試方法進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的相位噪聲測(cè)試方法基于帶通采樣的中頻頻譜分析法。 一、引言 - 現(xiàn)代電子系統(tǒng)和設(shè)備都離不開相位噪聲測(cè)試的要求，因?yàn)楸菊裣辔辉肼曈绊懼{(diào)頻、調(diào)相系統(tǒng)的最終信噪比，惡化某些調(diào)幅檢波器的性能；限制頻移鍵控（FSK） 和相移鍵控（PSK）的最小誤碼率；影響頻分多址接收系統(tǒng)的最大噪聲功率等。在很多高級(jí)電子系統(tǒng)和設(shè)備中，核心技術(shù)中往往有一個(gè)低相位噪聲頻率源。可見對(duì) 相位噪聲

2、進(jìn)行表征、測(cè)試以及如何減小相位噪聲是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中一個(gè)回避不了的問題。本文較詳細(xì)的闡述了相位噪聲的概念及其表征，并在分析其通用的測(cè)試技術(shù) 的同時(shí)提出了一種新的測(cè)試方法基于帶通采樣的中頻頻譜分析法。二、相位噪聲的概念及其表征- -相位噪聲一般是指在系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲作用下引起的輸出信號(hào)相位的隨機(jī)起伏。通常相位噪聲又分為頻率短期穩(wěn)定度和頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度。所謂頻率短期穩(wěn)定度, 是指由隨機(jī)噪聲引起的相位起伏或頻率起伏。至于因?yàn)闇囟?、老化等引起的頻率慢漂移,則稱之為頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度。通常我們主要考慮的是頻率短期穩(wěn)定度問題，可 以認(rèn)為相位噪聲就是頻率短期穩(wěn)定度。-一個(gè)理想的正弦波信號(hào)可用下式表示：-V(t)=A0

3、sin2f0t （1）-式中，V(t)為信號(hào)瞬時(shí)幅度，A0為標(biāo)稱值幅度，f0為標(biāo)稱值頻率。此時(shí)信號(hào)的頻譜為一線譜。但是由于任何一個(gè)信號(hào)源都存在著各種不同的噪聲，每種噪聲分量各不相同，使得實(shí)際的輸出成為：-V(t)=A0+(t)sin2f0t+j(t) （2）-在研究相位噪聲的測(cè)量時(shí)，由于考慮振蕩器的幅度噪聲調(diào)制功率遠(yuǎn)小于相位噪聲調(diào)制功率，所以|(t)|A0，通?？梢詫?t)忽略不計(jì)，而主要是對(duì)j(t)項(xiàng)進(jìn)行測(cè)量，故可以得到：-V(t)=A0sin2f0t+j(t) （3）-對(duì)j(t)的測(cè)量，可以用各種類型的譜密度來表示。顯然此時(shí)的相位起伏為j(t)=j(t)，頻率起伏為f(t)=dj(t)/d

4、t/2。常用的相對(duì)頻率起伏：-y(t)=dj(t)/dt/2f0 （4）-由于相位噪聲j(t)的存在，使頻率源的頻率不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定度常用時(shí)域阿侖方差2y(2,)及頻域相對(duì)單邊帶功率譜（簡(jiǎn)稱功率譜）Lp(f)或相噪功率譜Sj(f)來表征。它們的定義為：-2y(z)=2(2,)=(1/v20)(1/2)(y1-y2)2 （5）-式中y1，y2為測(cè)量采樣時(shí)間的相鄰二次測(cè)量測(cè)得的頻率平均值。-Lp(f)=PSSB(f)/P0(dBc/Hz) （6）-其中PSSB(f)為一個(gè)相位噪聲調(diào)制邊帶在頻率為f處的功率譜密度，P0為載波功率。-由（3）及（4）式得相位起伏的自相關(guān)函數(shù)Rj()=j()，j(t+

5、)和相對(duì)頻率起伏的自相關(guān)函數(shù)Ry()=y(), y(t+)，由維納-欽辛定理可知自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度間存在如下關(guān)系表示傅里葉變換對(duì)。通常j(t)1，近似有-Lp(f)=(1/2)Sj(f) （7）三、相位噪聲的測(cè)試技術(shù)-傳統(tǒng)的測(cè)試方法主要有直接頻譜儀法、基于低通采樣的鑒頻法和鑒相法,另外一種就是本文提到的基于帶通采樣的中頻頻譜分析法。-1.直接頻譜儀法- -將未調(diào)制的高頻或者微波載頻信號(hào)直接加到頻率范圍及性能適合的高頻或者微波頻譜儀上,顯示出該信號(hào)的頻譜,便可觀測(cè)出該被測(cè)信號(hào)的噪聲。目前常用的譜分 析儀一般分為兩類:一類是頻譜分析儀,它允許輸入信號(hào)具有很寬的頻率范圍,且具備中等程度的分析帶寬

6、。以HP 8568A為例,其工作頻率范圍為100Hz1.5GHz,最小分析帶寬為10Hz。另一類稱為波形分析儀,它一般工作在較低的頻段,但具有很高的頻率 分辨率。以HP 3582A為例,其工作頻率范圍為0.02Hz25.599Hz,頻率分辨率為0.02Hz。- -直接頻譜儀法是一種最容易、最簡(jiǎn)單的相位噪聲測(cè)量技術(shù)，它可以直接顯示單邊帶相位噪聲Lp(f),精確地顯示兩邊帶上的離散信號(hào)。該方法最適宜測(cè)量漂移 較小但相位噪聲相對(duì)較高的信號(hào)源。其缺點(diǎn)是不能測(cè)量頻譜純凈的源，這主要是受頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍和最小分辨帶寬的限制；不能分辨調(diào)幅噪聲和相位噪聲，故對(duì)調(diào) 幅噪聲嚴(yán)重的源不能直接測(cè)得相位噪聲Lp(f)，

7、也不適于測(cè)量漂移嚴(yán)重的源的Lp(f)。-2.鑒頻法-鑒頻法也稱單源法。就是將被測(cè)信號(hào)源的頻率起伏f由某種微波鑒頻器變?yōu)殡妷浩鸱黇，用基帶頻譜儀進(jìn)行測(cè)量，直接得出Sf(f),進(jìn)而也可求出Sj(f)或者Lp(f)。- -系統(tǒng)工作原理如下：將被測(cè)源信號(hào)經(jīng)功分器分兩路，一路經(jīng)寬帶延遲線時(shí)延d，以便將頻率起伏變?yōu)橄辔黄鸱黬后進(jìn)入鑒相器，另一路信號(hào)經(jīng)寬帶可變移相器 相移后進(jìn)入鑒相器進(jìn)行正交鑒相，由鑒相器將相位噪聲轉(zhuǎn)換為電壓噪聲，經(jīng)A/D、FFT和功率譜估計(jì)等信號(hào)處理后，測(cè)得被測(cè)信號(hào)的相位噪聲功率譜Sj(f) 和相對(duì)單邊功率譜Lp(f)。-Lp(f)=(1/2)Sj(f)=Sf(f)/f2=S(f)/K2d

8、f2-Kd=2dKj-式中，Sf(f)為被測(cè)源信號(hào)頻率起伏功率譜，S(f)為鑒相器輸出電壓功率譜，Kd為鑒頻系數(shù)，Kj為鑒相器系數(shù)。-鑒頻法具有不需要參考頻率源、低的寬頻帶噪聲底部、抑制調(diào)幅、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但是該方案在近載頻處系統(tǒng)靈敏度低，Sj(f)1/f2；寬帶延遲線、寬帶移相器制作困難，只適宜于測(cè)量近載頻噪聲電平較高，即頻率隨機(jī)漂移較大振蕩器。-3.鑒相法-鑒相法也稱相位檢波器法，這種方法是將被測(cè)信號(hào)與一同頻高穩(wěn)定的參考源進(jìn)行正交鑒相，該法的脈沖調(diào)制波頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)方框圖如圖2所示。- -在此方案中，采用外差方式將被測(cè)源信號(hào)降至中頻，在中頻用晶體濾波器和含VCXO（壓控晶體振蕩器）的PLL

9、提純，以獲取被測(cè)信號(hào)的連續(xù)載波信號(hào)，該信 號(hào)經(jīng)相移后與被測(cè)信號(hào)鑒相器中正交鑒相，提取被測(cè)信號(hào)的相位噪聲。提純載波信號(hào)的目的是為了避免被測(cè)信號(hào)中的相位噪聲與載波信號(hào)在鑒相器中互相抵消，造成 測(cè)試誤差。鑒相器將被測(cè)信號(hào)的相位噪聲轉(zhuǎn)換為電壓噪聲。經(jīng)A/D、FFT、功率譜估計(jì)等信號(hào)處理后，測(cè)得Sj(f)或Lp(f)。如果用于連續(xù)波相噪測(cè) 試，則該測(cè)試系統(tǒng)的相位提純支路可進(jìn)一步簡(jiǎn)化。-該方案的優(yōu)點(diǎn)是采用外差方案，被測(cè)信號(hào)頻率范圍寬，系統(tǒng)靈敏度較高。缺點(diǎn)是載波提純，移相器的研制較困難，而且相移器、晶體濾波器特性、鑒相增益Kj等受溫度和噪聲大小等諸多因素的影響而變化，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。- 4.中頻譜分析法

10、-中頻頻譜分析法頻穩(wěn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方框圖如圖3所示。- -在圖3系統(tǒng)中，被測(cè)源信號(hào)與參考源信號(hào)混頻后產(chǎn)生一個(gè)中頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)聲表（SAW）濾波器，低噪聲放大后進(jìn)入A/D變換器，A/D變換器的采樣頻率 需滿足帶通采樣定理，采樣頻率信號(hào)由DDS和PLL產(chǎn)生，采得的數(shù)據(jù)經(jīng)高速緩存送入PC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)FFT、功率譜估計(jì)等，獲得的Sj(f)或Lp (f)可直接在PC屏幕上顯示。-該方案在中頻進(jìn) 行帶通采樣，利用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)獲得被測(cè)脈沖調(diào)制波的Sj(f)或Lp(f)，大大簡(jiǎn)化了脈沖調(diào)制波頻穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜度，并具有測(cè)試高度自動(dòng)化的 優(yōu)點(diǎn)。隨著高速、高精度A/D變換器技術(shù)指標(biāo)的不斷提升，測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度將更進(jìn)一步提高，并滿足現(xiàn)代脈沖調(diào)制波頻穩(wěn)測(cè)試的更高要求。圖3的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，僅 用了一個(gè)