射頻信號相位噪聲測量不確定度分析

在雷達信號測量中，對連續波信號我們一般用掃頻式頻譜分析儀對信號頻率、功率、諧波分量及相位噪聲進行表征。本文著重研究了在利用掃頻式頻譜儀測量信號相位噪聲時，信號諧波分量與相位噪聲測量不確定度之間的關系，并通過實驗著重驗證了三次諧波分量將惡化待測基頻信號相位噪聲的測試精度。

【關鍵詞】相位噪聲 諧波分量 頻譜分析儀 不確定度

1 引言

在現代頻率源指標測試中，我們常常利用頻譜儀測試頻率源的功率、諧波、雜散、相位噪聲等相關指標。通常我們都認為這些指標都是獨立的，并沒有相關性。但我們使用的測試系統通常是掃描式頻譜分析儀（SA），忽略了儀表中混頻器非線性特性對測試結果可能造成的影響。本篇文章將重點分析信號諧波分量對相位噪聲測量的影響，并給出了試驗結果。

2 原理分析

2.1 頻譜儀結構

由圖1可以看出，輸入信號經過輸入衰減器和預選濾波器后，在混頻器中，與本地振蕩器的本振信號作中頻變換，變換后產生一個固定的中頻信號，經過中頻增益器放大、輸入到分辨率帶寬濾波器該濾波器決定了分辨率帶寬RBW，中頻信號在對數放大器中進行壓縮，然后通過包絡檢波器進行包絡檢波，所得信號稱為視頻信號。再經視頻濾波器來平均化，從而不受噪聲影響并且可平滑顯示（視頻濾波器決定了視頻帶寬VBW）。濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在屏幕上繪出坐標圖，就得出輸入信號的頻譜圖。

考慮到在頻譜儀中使用了混頻器器件，待測信號的諧波也會與混頻器混頻產生低頻分量。這些低頻分量是否會影響真實信號指標的測量，我們需要通過對混頻器的交調特性進行分析。

2.2 混頻器交調特性分析

對于任何非線性器件，其輸入信號和輸出信號的關系為：

U0=k0+k1Ui+k2U2i+k3U3i+k4U4i+…… （1）

其中，Ui為輸入信號幅度；U0為輸出信號幅度；k0、k1、k2、k3、k4為常數。

對于混頻器的輸入信號，一般都具有諧波分量，為方便計算，我們假設其只具有一個諧波分量，這樣我們可以按輸入雙音信號進行分析計算。

設混頻器的輸入信號為：

Ui=A1cosωR1t+A2cosωR2t+BcosωLt

其中，A1和A2為輸入信號幅度，B為本振信號幅度；ωR1和ωR2為輸入信號角頻率，ωL為本振信號角頻率。

假設ωR1是待測信號的輸入頻率，ωR2是待測信號的諧波分量，即ωR2=NωR1。

由此可知，當輸入信號存在諧波信號時，通過混頻器后，一些四階交調分量可能會演變成所需中頻信號的二階分量。

實際使用中，我們一般采用雙平衡混頻器、鏡像抑制混頻器等，這類混頻器在所有三個端口之間提供良好的隔離度，并對所有RF和LO信號的偶次諧波頻率進行抑制，所以主要是信號的奇次諧波產生的組合頻率會演變成所需的中頻信號。

2.3 相位噪聲分析

通過2.2節分析得知，當待測信號存在諧波分量時，尤其是奇次諧波分量，待測信號通過頻譜分析儀中混頻器后會在真實的中頻信號上疊加一個虛假分量。

假設待測信號存在三次諧波，P1和P3為基波和三次諧波的功率值，n1，f0和n3，f0分別為基波和三次諧波在偏離f0處的相位噪聲值，通過混頻器后，中頻疊加了三次諧波分量的頻譜信息（k1、k3分別為基波和三次諧波的變頻系數），如圖2所示。因此，中頻的相位噪聲值就由基波及三次諧波的相位噪聲矢量疊加而成，其幅度值取決于諧波與基波的相位關系。因此，基波相位噪聲測試結果的不確定性就來自諧波分量與基波相位的相對關系。

3 試驗測試

為了驗證以上分析的正確性，我們擬通過實驗來驗證上述結論。

在這個試驗中，我們擬人為產生待測頻率的諧波分量，通過改變諧波分量的相位，觀測待測基波分量的相位噪聲變化趨勢。

我們采用晶體振蕩器倍頻產生的待測頻點800MHz，諧波功率≤-60dBc，利用安捷倫公司的E5052A相位噪聲測試儀測得其相位噪聲值見表2。

利用倍頻器產生800MHz的三次諧波2400MHz，將2400MHz信號通過可變的同軸衰減器和一個同軸移相器（NARDA公司的3752），最后與800MHz通過合成器輸入相位噪聲測試儀。2400MHz信號和800MHz是產生自同一晶體振蕩器，因此兩者相位關系應該是相干的，通過移相器改變2400MHz信號的相位（0o～180o）來模擬不同相位的三次諧波，具體聯試方案見圖3。

通過調整同軸衰減器，使三次諧波分量相對于基波功率值分別為-4dBc、-7dBc、-10dBc、-13dBc、-16dBc，然后通過改變3752移相器的相位值，我們測得五組三次諧波功率下，基波頻率的相位噪聲測量值。

由圖4-a和圖4-b可知，偏離載頻100Hz和1kHz處的相位噪聲波動值在±1dB和±1.5dB間波動，基本上屬于儀表測量時的積累的誤差，故三次諧波的相對功率大小對測量頻偏100Hz和1kHz處的相位噪聲結果影響不大。

由圖4-c可知，偏離載頻10kHz處的相位噪聲波動值隨著三次諧波功率減小而減小，最大時波動值為±8dB，最小波動值為±1.5dB。

由圖4-d可知，偏離載頻100kHz處的相位噪聲波動值隨著三次諧波功率減小而減小，最大時波動值為±6dB，最小波動值為±1dB。

由圖4-e可知，偏離載頻1MHz處的相位噪聲波動值隨著三次諧波功率減小而減小，最大時波動值為±5dB，最小波動值為±1dB。

因此，根據表3數據，三次諧波的功率大小直接影響了基波頻率相位噪聲測量的精度，主要影響頻10kHz以上的遠端頻偏處的相位噪聲測試精度，對近端1kHz以內的相位噪聲測試影響不大。

之后按照圖3的的測試方案，我們又驗證了二次、四次及五次諧波分量對基波相位噪聲測試精度的影響。根據之前的分析，由于雙平衡混頻器對偶次諧波分量的抑制作用，二次諧波分量對基波相位噪聲測試精度影響值最大約±2dB；而四、五次諧波由于的變頻插損較基波和三次諧波的變頻插損要大許多，故實測四、五次諧波分量對基波相位噪聲測試精度沒有明顯的影響。

4 結束語

本文通過分析掃頻式頻譜儀的工作原理及對混頻器雙音信號的交調特性分析，指出了掃頻式頻譜儀在測量帶有諧波信號的待測信號時，相位噪聲值的測量具有不確定性。通過相關試驗證明了諧波分量（特別是三次諧波分量）通過混頻器后會疊加到基波頻率，從而惡化了基波頻率相位噪聲測試的精度值。

由此也說明了如果通過混頻方案測試倍頻器或分頻器的相位噪聲，倍頻器或分頻器產生的諧波或子諧波也將會嚴重影響相位噪聲測試的精度。

根據以上分析，我們得出了在利用掃頻式頻譜儀測量相位噪聲值的時候，要注意保證待測信號的單音輸入，諧波分量（尤其是三次諧波分量）會影響待測信號的相位噪聲測試準確度。通過濾波器將諧波分量控制在-20dBc以下，待測信號相位噪聲的測試精度將大大提高和穩定。

參考文獻

[1]郭崇賢.相控陣雷達接收技術[M].北京：國防工業出版社，2009.

[2]王篤祥.混頻器雙音交調特性分析[J].雷達與對抗，2000（03）：32-37.

[3]魯赟，周波.相位噪聲測量方法與試驗分析[J].上海電機學院學報，2011，6（14）：417-421.

[4]段志強.頻譜儀測量不確定度的研究[J].電子測試，2009（06）：6-12.

[5]AgilentE5052ASignalSourceAnalyzer10MHzto7，26.5，Datasheet.

作者簡介

郁金華（1984-），男，江蘇省南通市人。碩士研究生。南京電子技術研究所工程師。主要研究方向為雷達接收機技術。

作者單位

南京電子技術研究所 江蘇省南京市 210039