淺談如何測量微波相位噪音

薛 飛（中國空空導彈研究院,河南 洛陽 471009）

淺談如何測量微波相位噪音

薛 飛
（中國空空導彈研究院,河南 洛陽 471009）

摘 要：在微波收發設備中，各本振信號、發射信號等射頻信號的相位噪聲水平直接影響到泄露、檢測門限、靈敏度等關鍵系統指標。所以對微波信號相位噪聲的測量是保證系統正常運行的重要保證。本文將從相位噪聲的原理、測量方法等多方面進行分析，對不同測試方法進行了研究和比較。

關鍵詞：相位噪聲;鑒頻法測量;參考信號源

1　相位噪聲

相位噪音指的是各種射頻器件輸出的系統信號在噪音的影響下出現的隨機變化，表示了無線電波的幅度、相位、頻率的相互影響。相位噪聲通常分為兩大類：兩端口相位噪聲和絕對相位噪聲。兩端口噪聲是由設備的分配噪聲引起的器件噪聲，是對信號時間變化的另一種測量方式，其測量結果能在頻率域內顯示，通常放大器、混頻器等都會有兩端口噪聲；而絕對相位噪聲指的是設備輸出口端所出現的總相位噪聲，它同時也是器件兩端口相位噪聲和振蕩器噪聲的函數。我們在實際的測量中的測量重點在于測量震蕩源的絕對相位噪聲，所以下文重點介紹微波源絕對噪聲的測量方法。

2　測量相位噪聲的意義

根據以往實驗數據表示，信號源的相位噪音在信號電平分散在較寬動狀態圍的頻率交換中至關重要。例如：如果把兩個頻率不同的信號輸入到變頻器之中，然后再加入一個本地震蕩信號分別與兩個信號混頻，使得兩個信號變成中頻信號，結果發現本地振蕩器的相位噪聲直接轉化撐了混頻器的輸出。即使變頻以后大信號的混頻項得到恢復，可是本地振蕩器的振蕩噪聲邊帶大于兩個小信號，這個實驗充分說明了本振噪聲對系統靈敏度和準確度的影響。在實際的通信中，臨近的相位噪聲的相位抖動對系統的錯誤率有較大的影響。在很多通信系統里，調制信號的頻是很高的，剛開始時信噪比也很高，但是大部分微波中轉站都采用上邊頻法和下邊頻法放大信號，就可以得到傳輸的正常電平，在經過幾個中繼站之后，寬帶噪聲會越來越大，由此可見，如果本振的寬帶噪聲電平太高，對于系統的精度和準度都影響很大。所以，解決相位噪聲對于系統、對于實驗結果和研究結果有著十分重要的意義。

相位噪聲的影響：相位噪聲在實際的系統運作過程中會對系統的運作過程和結果產生很大影響，例如對接收機、通訊系統、多普勒雷達系統等。下面我們主要討論一下相位噪聲對接收機的影響。隨著科學技術的發展，器件的減噪放大器的動態范圍、電路系統的各項技術指標均在快速發展，相位噪聲已經成為限制電路系統發展的一大原因，如何降低相位噪聲是人們一直以來在研究的重點。在電磁環境不好的情況下，接收器能夠提取弱小有用信號是非常有必要的，但是如果附近存在強干擾信號，接收機混頻器就會容易出現倒易混頻現象。在存在本振相噪差時，如果本頻相噪差，接收機就收不到弱小信號，因此我們對接收機的要求是選擇性和大動態。

3　測量相位噪聲的方法

3.1 直接頻譜測量方法

最簡單、最直接也是最經典的相位測量技術，把信號分析儀調到適當頻率，直接測量功率譜密度。這種方法在測量對頻譜密度時存在載波，對測量結果可能有比較大的影響，但是這種方法的優點是可以快速便捷的測定出擁有高噪音的信號源的質量，由于信號分析儀不能區分調幅噪聲和相位噪聲，所以要求相位噪聲必須遠遠大于被測物件的調幅噪聲。

3.2 參考信號源測量法

這種方法需要用到雙平衡混頻器，由被測物件和信號源兩個信號來源為雙平衡混頻器提供信號。為了使測量的結果更精確，參考信號源的相位噪聲應該盡可能的低，基帶信號會被放大出入分析儀器。參考信號源測量法的優點是靈敏度高，測量范圍廣，而且還可以跟蹤漂移信號源；該方法的缺點是在測量高漂移信號源時需要較寬的調節范圍。

3.3 鑒頻器測量方法

鑒頻器測量方法也是一種常用的高效的測量微波相位噪音的方法，該方法不需要參考信號源，鑒頻器方法的優點是在測量較大的噪聲源的時候或者測量高電平的相位噪音時不會受到影響，但是在一定程度上降低了測量的靈敏度。鑒頻器測量時吧信號分成了兩路通道，其中一路相對產生延遲，從而把頻率的起伏轉化成了相位的變化，然后鑒相器的兩個輸出相位形成正交，把相位的波動轉化為電壓的波動在頻率以噪聲的形式在分析儀上顯示，把頻率噪聲轉化為相位噪聲讀數。

3.4 鑒相器測量方法

如果使用鑒相器進行相位噪聲的測量可以分離調幅噪聲和相位噪聲，更準確地測量微波相位噪音，在測量過程中，使用鑒相器可以有效地把兩個輸入信號之間之間的相位差轉化為輸出端的電壓。

3.5 雙通道互相關測量技術

該技術其實是兩個相同的單通道參考信號源結合在一起形成的系統，由于分開了兩個通道，所以兩個通道中被測試噪聲是不相干的，不會受到彼此之間的影響，此外，兩個通道之中被測試的噪聲通過互相關的速度也有了相應的降低。雙通道互相關測量技術跟其他方法相比優勢十分明顯，擁有極其出色的測量靈敏度，但是想要實現雙通道互相關測量技術需要有非常好的硬件性能，而且互相關級數的增加也會相應的影響到測量速度。

3.6 數字鑒相器測量法

科學的測量方法都是在實踐中不斷改進的，我們通過在實驗中對于模擬延遲線鑒相器方法的總結改進之后得到了數字鑒相器測定法，用來測量一些相位較大、較不穩定的信號源，數字鑒相器測量法比模擬延遲線鑒相器方法擁有更寬更廣的噪聲測定范圍，而且與其他鑒定方法不同的是，數字鑒相器測定方法在任何頻率都不需要重新連接模擬延遲線，但是該方法在實際測量中會受到LNA和ADC的限制。

4　總結

微波相位噪聲是衡量頻率標準源頻穩質量的一個關鍵指標，隨著技術的不斷提高，相應噪聲量也會越來越小，因此對于微波相位噪聲的測量也提出了越來越高的要求。

參考文獻：

[1]孫隆慶.頻譜分析與頻譜測量[M].人民郵電出版社,1982.

[2]王保華等.調頻無線電技術[M].上海科學技術出版社,1978.

作者簡介：薛飛（1982-），男，河南洛陽人，工程師，研究方向：雷達導引頭總體設計及試驗。