PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)擴(kuò)頻方法研究

葉玲玲,孫朝斌,沈小青,樓 楊,郭海生

( 中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)擴(kuò)頻方法研究

葉玲玲,孫朝斌,沈小青,樓 楊,郭海生

( 中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

在航天測控領(lǐng)域，相位噪聲指標(biāo)已成為系統(tǒng)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(tǒng)可直接應(yīng)用于相位噪聲測試，具備測試靈敏度高、系統(tǒng)穩(wěn)定、測試快速等優(yōu)點(diǎn)；隨著航天測控領(lǐng)域所用頻率的不斷提高，針對PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)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(tǒng)擴(kuò)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(kuò)頻方法，并對兩種方法進(jìn)行原理分析和實驗驗證；根據(jù)實驗結(jié)果，兩種方法均能有效實現(xiàn)擴(kuò)頻功能，但在系統(tǒng)本底相位噪聲及經(jīng)費(fèi)使用方面各有不同特點(diǎn)；文中提供的方法及實驗數(shù)據(jù)，對PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)擴(kuò)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(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)中，載波相位噪聲對于雷達(dá)作用范圍、圖像信號的質(zhì)量、衛(wèi)星定位的精度、數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`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(dāng)前多種相位噪聲測試裝置之中，法國生產(chǎn)的PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)[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(tǒng)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著航天領(lǐng)域應(yīng)用中主頻的不斷提高，PN9000基本系統(tǒng)的頻率測量范圍已不能滿足測試需求，急需在系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)頻。文中提出了兩種擴(kuò)頻方法并進(jìn)行了驗證分析，對于用戶更好地、合理使用該系統(tǒng)可提供借鑒作用。

1 PN9000基本系統(tǒng)簡介

PN9000相位噪聲測試基本系統(tǒng)是法國AEROFLEX公司的產(chǎn)品，集頻域測量和時域測量與一體的系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)由基本配置加擴(kuò)展各功能模塊插件組成，通常系統(tǒng)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(jìn)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(jù)需要自行選擇，如配置選件PN9813可用于測量脈沖調(diào)制連續(xù)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(zhì)量信號源頻率已達(dá)20 GHz甚至更高，而系統(tǒng)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(tǒng)擴(kuò)頻方法，達(dá)到既能滿足指標(biāo)需求又避免造成經(jīng)費(fèi)浪費(fèi)，已成為測試用戶所關(guān)注的問題。

2 PN9000基本系統(tǒng)擴(kuò)頻方法

2.1 基于相位檢波器法(基本型)的擴(kuò)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(dāng)被測信號與參考信號同頻正交[9]，相位起伏就可以轉(zhuǎn)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(xù)波的相位起伏[8]。PN9000基本系統(tǒng)配置的PN9341-01檢相器的頻率范圍可達(dá)26 GHz。在該擴(kuò)頻設(shè)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(qū)域，即可完成系統(tǒng)擴(kuò)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(kuò)頻方法

考慮到引入的相位噪聲本底及與PN9000基本系統(tǒng)的兼容性因素，可選用法國AEROFLEX公司生產(chǎn)的PN9151和PN9152倍頻器，用來實現(xiàn)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(kuò)展至27 GHz，考慮到檢相器頻率范圍可達(dá)26 GHz的因素，系統(tǒng)可實現(xiàn)對高達(dá)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(dá)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(dá)54 GHz。文中選擇增加選件PN9151來將系統(tǒng)擴(kuò)頻至26 GHz?；谙辔粰z波器法(基本型)設(shè)計的擴(kuò)頻方法如圖2所示。

圖2 基于相位檢波器法(基本型)的擴(kuò)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(nèi)信號的三次諧波(27 GHz以內(nèi))提取出來作為參考源進(jìn)行測量，實現(xiàn)9 GHz到26 GHz連續(xù)波信號的測量。用該方法擴(kuò)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(nèi))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(xù)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(kuò)至與被測源同頻后，再采用微波檢相器(26 GHz)進(jìn)行測量。

基于相位檢波器法(基本型)擴(kuò)頻方法只需增加選件PN9151，這是一個簡單而經(jīng)濟(jì)的方法。該方法優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低，屬于較經(jīng)濟(jì)的選擇，但構(gòu)建成的系統(tǒng)相位噪聲測試技術(shù)能力需驗證。

2.2 基于中頻相位檢波器法的擴(kuò)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(jìn)行構(gòu)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(jìn)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(nèi)；且微波參考源的相位噪聲指標(biāo)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(tǒng)中引入一個微波本振，與被測源進(jìn)行混頻得到中頻信號，再與中頻參考源PN9100進(jìn)行檢相，即可完成系統(tǒng)擴(kuò)頻。

2.2.2 基于中頻相位檢波器法測量模型擴(kuò)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(diǎn)頻源與被測件進(jìn)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(tǒng)測試頻率內(nèi)的中頻之后進(jìn)行測量。在系統(tǒng)的操作軟件中設(shè)置微波被測件頻率值，系統(tǒng)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(tǒng)自動將參考源頻率調(diào)整到測量到的中頻值，之后的測量則完全與基本系統(tǒng)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(tǒng)本底相位噪聲[12]。

用該方法擴(kuò)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(jīng)PN9276-01下變頻后，頻率變?yōu)?00～700 MHz的中頻輸入到檢相器的RF端，與PN9100內(nèi)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(tǒng)，之后用PN9000直接測量。該方法所需經(jīng)費(fèi)較高，構(gòu)建成的系統(tǒng)相位噪聲測試技術(shù)能力需驗證。

圖4 基于中頻相位檢波器法測量模型的擴(kuò)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(tǒng)構(gòu)建的測量系統(tǒng)對低相噪被測件輸出信號(幅度為+10 dBm)進(jìn)行測試，用以驗證系統(tǒng)本底性能。

測試曲線如圖5～6所示。

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

圖6 PN9276+PN9100 及PN9100+PN9151系統(tǒng)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(tǒng)擴(kuò)頻后的測試曲線；下面曲線均為用PN9276+PN9100對PN9000基本系統(tǒng)擴(kuò)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(kuò)頻方法的系統(tǒng)噪聲本底明顯優(yōu)于基于相位檢波法(基本型)擴(kuò)頻方法的噪聲本底。

為驗證1～20 GHz頻段的系統(tǒng)本底性能，文中選擇1～20 GHz相位噪聲足夠低的優(yōu)質(zhì)信號源作為被測件，分別用兩種方法擴(kuò)頻后的系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試頻偏為1 Hz～10 MHz，測量結(jié)果即為系統(tǒng)的噪聲本底。測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

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

表2 基于中頻相位檢波器法測量模型擴(kuò)頻后噪聲本底測試數(shù)據(jù) (dBc/Hz)

4 結(jié)論

對比表1、表2測試數(shù)據(jù)，可得出：基于相位檢波器法(基本型)擴(kuò)頻方法中的整個測試系統(tǒng)相比基于中頻相位檢波器法擴(kuò)頻方法的系統(tǒng)本底相位噪聲明顯要差一些；基于中頻相位檢波器法擴(kuò)頻方法的整個測試系統(tǒng)的本底主要取決于下變頻器的本底，顯著優(yōu)于參考源的相位噪聲指標(biāo)；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(tǒng)的本底噪聲性能。

通過對PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)擴(kuò)頻原理[13]進(jìn)行分析，文中提出了兩種基于不同測量原理的擴(kuò)頻方法，但兩種方法在系統(tǒng)本底噪聲指標(biāo)及使用經(jīng)費(fèi)等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，用戶需綜合考慮指標(biāo)需求及避免經(jīng)費(fèi)浪費(fèi)等因素合理選擇擴(kuò)頻方法，本文可為用戶具體實施擴(kuò)頻方案時提供有效借鑒。

[1] 劉嘉興.相位噪聲對數(shù)傳誤碼率的影響[J].電訊技術(shù),2007,47(4):63-65.

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

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

[4] 陳曉龍，王家禮，孫 璐,等.脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量中的功率譜估計方法.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)[J].2012，39(4)：138-143.

[5] W.P,羅賓斯.相位噪聲[M].秦 士,姜遵富譯.北京:人民郵電出版社,1998.

[6] 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(xué)院上海天文臺年刊，2009(30):151.

[7] 李宗楊.王志田.高連山編著.時間頻率計量[M].北京：原子能出版社，2002.

[8] 李 焱.相位噪聲自動測試方法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2001.

[9] 劉紅春,劉紅運(yùn).鎖相環(huán)在相位噪聲測試中的工作機(jī)理和影響[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2009，34(8)：783-786.

[10] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJG1707A-2005相位噪聲測量方法[S] .北京：國防科工委軍標(biāo)發(fā)行部，2005.

[11] 孫素霞.相位噪聲測量方法及其研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2005.

[12] 張海明.頻率源的相位噪聲特性分析[J].無線電通信技術(shù)，1999，25(1)：25-27.

[13] 閻棟梁.相位噪聲測量技術(shù)的發(fā)展[J].宇航計測技術(shù).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