基于相位噪聲測試系統的頻率穩定度測量方法

葉玲玲 石明華 沈小青 樓楊 中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431

基于相位噪聲測試系統的頻率穩定度測量方法

葉玲玲 石明華 沈小青 樓楊 中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431

介紹了基于相位噪聲測試系統的時域頻率穩定度測量原理和方法，主要解決傳統測量時域短期頻率穩定度的高附加相位噪聲影響，提高了短期頻率穩定度的測量精度，實現了低附加相位噪聲的頻率穩定度測量。

頻率穩定度；測量；相位噪聲

Frequency stab；ilityMeasurem；en tPhase Noise

前言

頻率穩定度按觀測域的不同，分為時域頻率穩定度（簡稱頻率穩定度）和頻域頻率穩定度(通稱相位噪聲)。隨著通信、雷達等高科技的發展，頻率穩定度和相位噪聲往往成為系統性能的限制性因素，成為整機系統、頻率源、多種兩端口頻率控制和變換部件設計中必須認真考慮的性能指標。在目前的相位噪聲測試裝置中，法國的PN9000相位噪聲測試系統[1]（下稱PN9000）是其中的佼佼者。本文主要探討該系統在時域頻率穩定度測量中的應用。

1 測量系統簡介

PN9000是模塊化的測量系統，相關測量部件都以模塊形式插在主機箱內。根據參考源、頻率范圍和信號分析的需要，系統可進行不同的配置。其基本系統由機箱、五個基本模塊、電腦、IEEE接口、電腦主機箱內的數字轉換板和測量軟件組成。

2 頻率穩定度分類及測量

頻率穩定度指由于頻率源內部噪聲引起的頻率取樣值的隨機起伏，是描述平均頻率隨機變化的量，平均時間即采樣時間。信號的頻率穩定度是時域內頻率f(t)相對于中心頻率f0的穩定性表征參數，如（1）式所示。間接測量阿倫方差[5]，即采用頻域到時域變換的測量，有本底相位噪聲低的優點，非常適合毫秒級的短穩測量。而對于長穩，PN9000則采用“參考源頻偏”法在時域中直接測量阿倫方差，需要選用PN3100選件才能完成這種測量。

2.1 PN9000對短穩的測量

2.1.1 測量原理

相噪理論和統計學認為，頻域的相位噪聲和時域的短穩（阿倫方差）是等效的[4]，可以根據相位噪聲譜密度換算到阿倫方差，如（2）式所示：

f0是載波中心頻率，T是穩定度時間，Sφ(f)是頻偏為f時的相位噪聲譜密度。

按(2)式，理論上從相位噪聲換算到阿倫方差的積分區間應從0至無窮大，這意味著PN9000的相噪頻偏分析范圍也應從偏離載波0至無窮遠，但對于實際測量系統是做不到的。因此從相位噪聲測量結果計算頻率穩定度[5]有個頻率下限和上限的選擇問題。PN9000應該選擇合理的積分區間，既保證運算結果的誤差范圍在允許范圍內，又保證系統可實現這種測量。頻率下限由規定頻率穩定度指標所在的時間段T決定。頻率上限選取保證對平坦的頻率抖動在高頻端的收斂，因為多數信號源由于熱噪聲貢獻，在高頻率偏移處的相位噪聲呈平坦狀。

通常認為，積分起始點fc應選為:

T是短穩時間。積分結束點理論上越遠越好，一般來說選為1MHz即可保證準確度。PN9000的測試本底（測試靈敏度）如表1所示：

頻率穩定度最常用的表達式是阿倫方差。根據穩定度時間的長短，分為短期穩定度，如1ms、10ms、100ms、1s穩定度等，中長期穩定度，如1s、10s ,……,10000s穩定度等。

噪聲對頻標輸出頻率的干擾往往不是表現在頻率值變化上，而是表現為對輸出信號的干擾，也就是表現為相位噪聲，通常認為相位噪聲就是短期頻率穩定度[2]的頻域表征方式。而頻率源長期頻率穩定度和相位噪聲無太多聯系[3]。

傳統的穩定度測量常用頻差倍增測頻法，但由于頻差倍增器結構復雜，產生的附加噪聲來源多，如104倍增要經過五次倍頻、四次混頻、濾波、放大，由于這些附加相位噪聲的限制，在頻率源的毫秒、秒級穩定度測量中較少采用。 PN9000的短穩測量采用從已知的相位噪聲計算頻率抖動的方法

表1 PN9000相位噪聲測試系統短穩測試靈敏度(10MHz)

2.1.2 測量方法

首先根據穩定度時間和方程（3），確定相噪測量頻偏區間。測量完信號的相位噪聲后，在測試窗口頂部菜單選擇“T o o l s/M a t h s”，出現f x窗口，選擇“Variance”，依據窗口內容選擇好積分起始頻偏、積分終止頻偏、載波頻率和穩定度時間等設置，點擊“Execute”完成計算，在“Result”旁的窗口顯示計算結果。

2.2 PN9000對中長穩的測量

2.2.1 測量原理

中長期穩定度測量需要PN3100選件,通過內置頻率計數器測量。計數器在一個指定的時間閘門周期τ上測量瞬時頻率（f）的平均表閘門頻率的樣本。對上述測量值進行歸一化處理，得到的標稱頻率。阿倫方差的計算公式如（4）式所示：

yk是第k個歸一化頻率測量值。

將被測頻率信號與PN9000鑒相器RF輸入端連接，參考源信號與鑒相器LO輸入端連接。由于沒有鎖相，鑒相器相當于混頻器。調節被測源或參考源，以在混頻器輸出得到很低的拍頻，此差拍信號用計數器測出。參考源的穩定度應該優于被測源。PN9000測量長穩分辨率如表2所示。

表2 PN9000相位噪聲測試系統中長穩測試靈敏度（10MHz）

2.2.2 測量方法

依據測量原理，進行被測頻率源和PN9000連接;進入測試窗口，在“Method”菜單中選擇“F Stability”→ “One Point Meas.”或“Curve”。如選擇“One Point Meas.”，在上面窗口中依次輸入被測頻率、選擇參考源、調整IF頻率、選擇平均次數和要測量穩定度的時間，點擊“M e a s u r e”，測量結果就在“A l l a n Deviationn”下方的黑框中顯示；如選擇“Curve”，出現測試窗口，依次輸入被測頻率、選擇參考源、調整IF頻率、選擇平均次數和要測量穩定度的時間區間，點擊“Measure”，測量結果就以曲線形式顯示在窗口中。

3 小結

目前，頻率穩定度測量通常采用時域內測頻法，如頻差倍增法、差拍法等，但這些方法都受到頻差倍增器或倍頻器的附加相位噪聲影響。用PN9000測量短穩有明顯的優勢，具有本底相位噪聲低的特點，克服了頻差倍增器等引入高附加相位噪聲的缺點，提高了測量短穩的精度。對于中長穩的測量，PN9000采用時域測量方法，也可滿足測量需求。

[1]AEROFlEX 公司. PN9000Versatile Phase Noise Test Set

[2]張聯合.頻率短期穩定度及其測量[J].信息

技術.2002，(9):73-74

[3]張娜.郭芳.江賢峰，等.時間頻率信

號測量中噪聲表征方法的研究[J].中國科

學院上海天文臺年刊.2009，(30):151

[4]李宗楊.王志田.高連山編著.時間頻

率計量[M].原子能出版社.2002

[5]仲崇霞.夏振華.由相位噪聲間接測量阿倫

方差的研究[J].計量學報.2009，30(6)

In this paper it is mainly introduced the measure principle and method to frequency stability using a Phase Noise Measurement System and reduce th impact of additional noise.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.098