PN9000相位噪聲測試系統擴頻方法研究

葉玲玲,孫朝斌,沈小青,樓 楊,郭海生

( 中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

PN9000相位噪聲測試系統擴頻方法研究

葉玲玲,孫朝斌,沈小青,樓 楊,郭海生

( 中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

在航天測控領域，相位噪聲指標已成為系統性能的限制性因素，精確測量載波的相位噪聲顯得尤為重要；PN9000相位噪聲測試系統可直接應用于相位噪聲測試，具備測試靈敏度高、系統穩定、測試快速等優點；隨著航天測控領域所用頻率的不斷提高，針對PN9000相位噪聲測試系統基本配置的頻率范圍已無法滿足測試需求的問題，為滿足PN9000相位噪聲測試系統擴頻需求，文中提出基于相位檢波器法(基本型)和基于中頻相位檢波器法兩種擴頻方法，并對兩種方法進行原理分析和實驗驗證；根據實驗結果，兩種方法均能有效實現擴頻功能，但在系統本底相位噪聲及經費使用方面各有不同特點；文中提供的方法及實驗數據，對PN9000相位噪聲測試系統擴頻升級及配件選購等具有很好的借鑒作用。

相位檢波器；相位噪聲；下變頻

0 引言

在航天測控通信、高速數據傳輸等系統中，載波相位噪聲對于雷達作用范圍、圖像信號的質量、衛星定位的精度、數據傳輸的誤碼率[1]以及相鄰信道之間信號的干擾等都有著直接影響，精確測量載波的相位噪聲就顯得尤為重要。在當前多種相位噪聲測試裝置之中，法國生產的PN9000相位噪聲測試系統[2](以下簡稱PN9000)成為其中的佼佼者，具有測試快速、操作簡單、系統穩定等諸多優點。隨著航天領域應用中主頻的不斷提高，PN9000基本系統的頻率測量范圍已不能滿足測試需求，急需在系統基礎上進行擴頻。文中提出了兩種擴頻方法并進行了驗證分析，對于用戶更好地、合理使用該系統可提供借鑒作用。

1 PN9000基本系統簡介

PN9000相位噪聲測試基本系統是法國AEROFLEX公司的產品，集頻域測量和時域測量與一體的系統[3]。系統由基本配置加擴展各功能模塊插件組成，通常系統配置中含PN9100參考源、檢相器等模塊，采用基于相位檢波器法的測量原理進行相位噪聲測試，可完成頻率測量范圍為2 MHz～4.5 GHz信號源的相位噪聲測試，若需完成其他功能，用戶可根據需要自行選擇，如配置選件PN9813可用于測量脈沖調制連續波的相位噪聲[4]，選件PN9841-02可用于雙端口器件附加噪聲[5-6]測量等。

由于許多高質量信號源頻率已達20 GHz甚至更高，而系統測量頻率到4.5 GHz顯然不能滿足測試需求。如何合理選擇系統擴頻方法，達到既能滿足指標需求又避免造成經費浪費，已成為測試用戶所關注的問題。

2 PN9000基本系統擴頻方法

2.1 基于相位檢波器法(基本型)的擴頻方法

2.1.1 基于中頻相位檢波器法測量模型[7-8]

圖1中，相位檢波器(又稱檢相器)通常采用平衡混頻器，要求該相位檢波器的頻率范圍可覆蓋被測源頻率。當被測信號與參考信號同頻正交[9]，相位起伏就可以轉換為電壓起伏，在參考信號的相位起伏足夠小的情況下，可通過電壓起伏計算出被測連續波的相位起伏[8]。PN9000基本系統配置的PN9341-01檢相器的頻率范圍可達26 GHz。在該擴頻設計模型中，被測源為微波信號源的1 GHz至26 GHz頻率信號，則只要將參考源PN9100信號倍頻至與被測信號同頻，且檢相器RF和LO輸入端信號都能保證檢相器處于線性工作區域，即可完成系統擴頻。

圖1 相位檢波器法(基本型)測量模型框圖

2.1.2 基于相位檢波器法(基本型)擴頻方法

考慮到引入的相位噪聲本底及與PN9000基本系統的兼容性因素，可選用法國AEROFLEX公司生產的PN9151和PN9152倍頻器，用來實現對PN9100參考信號的倍頻。將PN9151與PN9100參考源配合使用，可將參考信號源輸出頻率升至9.0GHz；再采用PN9000的提取信號源三次諧波功能，可將參考源頻率擴展至27 GHz，考慮到檢相器頻率范圍可達26 GHz的因素，系統可實現對高達26 GHz信號測試的目的；將PN9152與PN9100A和PN9151配合使用，使參考信號源輸出頻率可達18 GHz，同樣通過PN9000提取信號源的三次諧波，測量頻率范圍最高可達54 GHz。文中選擇增加選件PN9151來將系統擴頻至26 GHz。基于相位檢波器法(基本型)設計的擴頻方法如圖2所示。

圖2 基于相位檢波器法(基本型)的擴頻方法框圖

PN9000提取信號源三次諧波功能的基本原理為：把PN9100加上PN9151倍頻器在9 GHz內信號的三次諧波(27 GHz以內)提取出來作為參考源進行測量，實現9 GHz到26 GHz連續波信號的測量。用該方法擴頻后PN9000測量原理為：對于低于2 GHz的信號，直接選擇射頻檢相器(2 GHz以內)測量；對于2 GHz到4.5 GHz的信號，選擇微波檢相器(26 GHz)及4.5 GHz信號源測量；對于4.5 GHz到26 GHz的連續波信號測量，則提取4.5 GHz信號源的三次諧波功能將參考源信號擴至與被測源同頻后，再采用微波檢相器(26 GHz)進行測量。

基于相位檢波器法(基本型)擴頻方法只需增加選件PN9151，這是一個簡單而經濟的方法。該方法優點是費用低，屬于較經濟的選擇，但構建成的系統相位噪聲測試技術能力需驗證。

2.2 基于中頻相位檢波器法的擴頻方法

2.2.1 基于中頻相位檢波器法測量模型[7,9]

該方法主要基于中頻相位檢波器法的測量模型進行構建，其模型框圖如圖3所示。

圖3 中頻相位檢波器法測量模型框圖

圖3中，對于微波頻段的被測源測量，先將被測源與微波參考源混頻，得到中頻信號之后用相位檢波器法進行測量[10]。中頻相位檢波器法需要合適的微波參考源頻率范圍，以保證得到合適的中頻信號，使得其頻率可落在中頻參考源頻率控制的范圍之內；且微波參考源的相位噪聲指標需比被測源相位噪聲低10 dB以上。文中被測源為微波信號源的1 GHz至26.5 GHz頻率信號，需要在系統中引入一個微波本振，與被測源進行混頻得到中頻信號，再與中頻參考源PN9100進行檢相，即可完成系統擴頻。

2.2.2 基于中頻相位檢波器法測量模型擴頻方法

對于超低噪聲微波信號的測量，很難找到具有高分辨率的寬帶頻率合成源作為參考，解決方法是用干凈的點頻源與被測件進行下混頻，文中選擇PN9276-01下變頻器來完成，得到落在PN9000基本系統測試頻率內的中頻之后進行測量。在系統的操作軟件中設置微波被測件頻率值，系統軟件將自動選擇與被測件最靠近的LO頻率，輸出RF中頻，測試系統自動將參考源頻率調整到測量到的中頻值，之后的測量則完全與基本系統測試相同。該方法需配置下變頻器，下變頻器的中頻輸出是幾百兆赫茲的較低頻率，可以使參考源工作在很低的頻率[11]，使得合成本底噪聲可以不考慮參考源的影響，可以獲得較低的系統本底相位噪聲[12]。

用該方法擴頻后被測件頻率為1～26.5 GHz時,測量原理如圖4所示。把頻率為1～26.5 GHz的被測件經PN9276-01下變頻后，頻率變為100～700 MHz的中頻輸入到檢相器的RF端，與PN9100內置信號源(工作頻率與下變頻器的輸出頻率相同)組成射頻測試系統，之后用PN9000直接測量。該方法所需經費較高，構建成的系統相位噪聲測試技術能力需驗證。

圖4 基于中頻相位檢波器法測量模型的擴頻方法框圖

3 實驗驗證與分析

實驗方法：文中兩種方法均能將頻率測量范圍提升至26 GHz，實驗分別用PN9276+PN9100、PN9100+PN9151與PN9000基本系統構建的測量系統對低相噪被測件輸出信號(幅度為+10 dBm)進行測試，用以驗證系統本底性能。

測試曲線如圖5～6所示。

圖5 PN9276+PN9100 及PN9100+PN9151系統本底測試曲線(頻率8 GHz)

圖6 PN9276+PN9100 及PN9100+PN9151系統本底測試曲線(頻率20 GHz)

圖5、圖6中，上面測試曲線均為用PN9100+PN9151對PN9000基本系統擴頻后的測試曲線；下面曲線均為用PN9276+PN9100對PN9000基本系統擴頻后采用下變頻法的測試曲線。圖5載頻頻率均為8 GHz，圖6中載頻頻率均為20 GHz。圖5、圖6顯示，基于中頻相位檢波器法擴頻方法的系統噪聲本底明顯優于基于相位檢波法(基本型)擴頻方法的噪聲本底。

為驗證1～20 GHz頻段的系統本底性能，文中選擇1～20 GHz相位噪聲足夠低的優質信號源作為被測件，分別用兩種方法擴頻后的系統進行測試，測試頻偏為1 Hz～10 MHz，測量結果即為系統的噪聲本底。測試數據如表1、表2所示。

表1 基于相位檢波法(基本型)測量模型擴頻后噪聲本底測試數據 (dBc/Hz)

表2 基于中頻相位檢波器法測量模型擴頻后噪聲本底測試數據 (dBc/Hz)

4 結論

對比表1、表2測試數據，可得出：基于相位檢波器法(基本型)擴頻方法中的整個測試系統相比基于中頻相位檢波器法擴頻方法的系統本底相位噪聲明顯要差一些；基于中頻相位檢波器法擴頻方法的整個測試系統的本底主要取決于下變頻器的本底，顯著優于參考源的相位噪聲指標；尤其在近載頻相位噪聲測試中，采用下變頻器可明顯改善系統的本底噪聲性能。

通過對PN9000相位噪聲測試系統擴頻原理[13]進行分析，文中提出了兩種基于不同測量原理的擴頻方法，但兩種方法在系統本底噪聲指標及使用經費等方面各有優缺點，用戶需綜合考慮指標需求及避免經費浪費等因素合理選擇擴頻方法，本文可為用戶具體實施擴頻方案時提供有效借鑒。

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[2] AEROFlEX公司. PN9000 Application Note #2/#3[Z].

[3] AEROFlEX公司. PN9000 Versatile Phase Noise Test Set[Z].

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[13] 閻棟梁.相位噪聲測量技術的發展[J].宇航計測技術.2006，26(5)：59-61.

Research on Expanding Frequency Range Method of PN9000 Phase Noise Measurement System

Ye Lingling, Sun Chaobin, Shen Xiaoqing, Lou Yang，Guo Haisheng

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, China)

The system performance is often limited by phase noise in the field of space measurement and control. Accurate measurement of carrier phase noise is particularly important.PN9000 phase noise measurement system can be directly applied to accurately measure phase noise, it has the advantages of high sensitivity, maintenance, fast test and so on. As the frequency of space measurement and control field is increased, the frequency measurement range of PN9000 basic configuration can not meet the test requirement. To meet the requirement of expanding frequency range of PN9000 phase noise measurement system, the two expanding frequency range methods were proposed that respectively based on phase detector (fundamental form) and IF phase detector, and the theoretical results with experimental data were compared. According to the experimental results, the intention of expanding frequency range can be realized by using any one of the two methods, but the different characteristics in system floor phase noise and costs are showed. The two methods and experimental data in the paper can be referred for expanding frequency range of PN9000 phase noise measurement system and choosing suitable accessories.

phase detector；phase noise；down-conversion

2016-10-27；

2017-01-09。

葉玲玲(1977-)，女，福建泉州人，高級工程師，主要從事時間頻率與無線電計量方向的研究。

1671-4598(2017)05-0032-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.010

TN98

A