基于相位噪聲分析儀FSWP的相位噪聲測量不確定度分析

張滄慶(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引 言

隨著通信技術(shù)的突飛猛進(jìn)，通信系統(tǒng)對相位噪聲指標(biāo)的要求越來越高，相位噪聲指標(biāo)的好壞在航空航天、衛(wèi)星導(dǎo)航、遙感遙測、電子對抗、雷達(dá)應(yīng)用等重要領(lǐng)域影響巨大。如何準(zhǔn)確測量相位噪聲成為國內(nèi)外研究的熱點，如何對相位噪聲分析儀進(jìn)行不確定度分析也是各大實驗室的重中之重[1]。

1 相位噪聲

在頻域中把頻率源輸出信號的隨機(jī)相位或頻率起伏統(tǒng)稱為相位噪聲[2]，假設(shè)一理想信號為：

V(t)=V0cos2πf0t

(1)

式中：V0為峰值電壓幅度；f0為載波頻率。

但在實際電路中，噪聲是不可避免的。因此，實際信號為：

V(t)=V0[1+a(t)]cos[2πf0t+φ(t)]

(2)

式中：a(t)為幅度起伏；φ(t)為相位起伏[3]。

相位起伏密度定義為：

(3)

相位噪聲通常用單邊帶相位噪聲來表示。單邊帶相位噪聲L(f)定義為隨機(jī)相位波動單邊帶功率譜密度Sφ(f)的一半，單位為dBc/Hz[5]，表示為：

(4)

2 測量相位噪聲的方法

2.1 直接頻譜儀法

選用頻率范圍及性能適當(dāng)?shù)念l譜儀，將被測信號加載到頻譜儀上。根據(jù)式(1)計算可得單邊帶相位噪聲：

L(f)=Pm-Pc-10lg(BRBW/B1Hz)+C

(5)

式中：Pm為偏離載頻f處的邊帶電平；Pc為載波功率；BRBW為頻譜儀的分析帶寬；B1 Hz為1 Hz帶寬；C為頻譜儀測量隨機(jī)噪聲的修正值。

2.2 鑒相器法

鑒相器法將待測信號的相位起伏變成電壓起伏，再用頻譜儀測量這個電壓起伏。被測信號與同頻且正交的參考信號進(jìn)入鑒相器后變成電壓起伏，低通濾波器濾除高頻信號項，可得電壓起伏ΔU=KφΔφ，Kφ為鑒相系數(shù)。這樣就把相位起伏變成電壓起伏，再通過低噪聲放大器放大，頻譜儀就可以檢測出來了，如圖1所示。

圖1 鑒相器法原理圖

2.3 鑒頻器法(延遲線測量法)

鑒頻法通過鑒相器獲得被測信號頻率起伏對應(yīng)的電壓，再用頻譜儀測量這個電壓起伏。被測信號被功分器分成2路信號，其中一路信號經(jīng)過延遲線后產(chǎn)生時延τ，由此產(chǎn)生固定的頻率偏移φ=2πfτ，調(diào)節(jié)可調(diào)移相器使之與延遲線的信號相位正交。信號經(jīng)過鑒相器后變成電壓起伏，低通濾波器濾除高頻信號項，可得電壓起伏ΔU=KφΔφ=Kφ2πΔfτ，Kφ為鑒相系數(shù)。這樣就把頻率起伏變成電壓起伏，再通過低噪聲放大器放大，頻譜儀就可以檢測出來了，如圖2所示。

2.4 全數(shù)字法

全數(shù)字法是將被測信號看做數(shù)字調(diào)制信號，測量相位噪聲的過程就是數(shù)字解調(diào)的過程。被測信號通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)后分為I、Q 2路，分別與參考信號進(jìn)行數(shù)字混頻，通過數(shù)字低通濾波器后進(jìn)行數(shù)字處理，得到相噪信息，如圖3所示。

圖3 全數(shù)字法原理圖

2.5 互相關(guān)法

互相關(guān)法由2個相互獨(dú)立的相位噪聲測量系統(tǒng)組成，最后將2個測量結(jié)果進(jìn)行互相關(guān)處理。由于2個測量系統(tǒng)相互獨(dú)立，產(chǎn)生的噪聲是非相關(guān)性的，在使用互相關(guān)算法進(jìn)行運(yùn)算后非相關(guān)性噪聲受到大幅度的抑制。對幾種主要測量方法的優(yōu)缺點進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示[6-7]。

這天的夜晚，阿東把自己的床拖到阿里的床邊并成一張大床。他們自小住同一房間，但各睡各的床。這天的阿東卻擔(dān)心阿里夜里會鬧，便盡量讓自己離他近些。阿里翻著眼睛望著他做這些，不明白他何故如此，但卻什么也沒有說。

2.6 FSWP

本文采用的相位噪聲分析儀FSWP采用更加先進(jìn)的數(shù)字相位解調(diào)法與互相關(guān)法相結(jié)合的方法測量相位噪聲，比全數(shù)字法擁有更寬的頻率帶寬和更低的噪聲本底。被測信號經(jīng)分路器分成2路后與本振信號做模擬I/Q混頻，然后分別經(jīng)過低通濾波器和低噪聲放大器后進(jìn)行模/數(shù)(A/D)采樣，最后一起進(jìn)入FPGA進(jìn)行互相關(guān)的計算處理。FSWP采用高速ADC使得分析帶寬可超過30 MHz，使用具有超低相位噪聲參考源的同時使用互相關(guān)技術(shù)，使得相位噪聲本底提升了5lgm(m為互相關(guān)次數(shù))，體積也比同類產(chǎn)品大幅減小，人性化的界面使得一般工程人員也能快速上手。總之，性能優(yōu)異、速度快捷、攜帶方便、操作簡單的FSWP是測量相位噪聲的首選，如圖4所示。

圖4 FSWP原理圖

3 FSWP測量相位噪聲的不確定度分析

3.1 測量分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

表1 主要測量方法優(yōu)缺點

3.2 相位噪聲分析儀自身相位噪聲(使用互相關(guān)法)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

3.3 雜波引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

表2 雜波對相位噪聲的影響量與信噪比的關(guān)系

3.4 頻響特性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

3.5 阻抗失配引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5

3.6 功率線性度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u6

3.7 濾波器帶寬引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u7

3.8 電纜引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u8

3.9 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u9

表3 FSWP測量值

3.10 硬件限制引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u10

測量相位噪聲高于FSWP自身相位噪聲4～12 dB之間，硬件限制引入的不確定度u10=1.25 dB。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表見表4。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

有效自由度為：

νeff=∞

取k=2時，則擴(kuò)展不確定度U=kuc=2.8 dB。

表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

4 結(jié)束語

本文首先介紹了相位噪聲的概念，然后具體分析了測量相位噪聲的幾種主要方法的優(yōu)缺點，最后對相位噪聲分析儀FSWP進(jìn)行了不確定度分析，為相位噪聲的測試、建標(biāo)、校準(zhǔn)實驗室的申報以及更深入的理論研究提供了參考依據(jù)。

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[2] GJB 1707A-2005.相位噪聲測量方法[S].北京：國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會,2005.

[3] 張金貴,許星辰.相位噪聲對8PSK衛(wèi)星通信鏈路的影響[J].無線電通信技術(shù),2014,40(4):15-17.

[4] 劉宗一.相位噪聲提取技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.

[5] 朱錦璐.相位噪聲測量中的關(guān)鍵算法及實現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.

[6] 董紹鋒.基于異頻信號間相位群特征的相位噪聲測量技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.

[7] 趙懷松.基于多鎖相環(huán)技術(shù)的寬頻帶小步進(jìn)低相位噪聲頻率源設(shè)計[J].艦船電子對抗，2015，38(4)：8-13.