基于相位噪聲分析儀FSWP的相位噪聲測量不確定度分析

2018-05-04 06:12:54張滄慶中國電子科技集團公司第五十四研究所河北石家莊050081

艦船電子對抗 2018年1期

張滄慶(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

隨著通信技術的突飛猛進，通信系統對相位噪聲指標的要求越來越高，相位噪聲指標的好壞在航空航天、衛星導航、遙感遙測、電子對抗、雷達應用等重要領域影響巨大。如何準確測量相位噪聲成為國內外研究的熱點，如何對相位噪聲分析儀進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相位或頻率起伏統稱為相位噪聲[2]，假設一理想信號為：

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的頻譜儀，將被測信號加載到頻譜儀上。根據式(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。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，其中一路信號經過延遲線后產生時延τ，由此產生固定的頻率偏移φ=2πfτ，調節可調移相器使之與延遲線的信號相位正交。信號經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。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 全數字法

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

圖3 全數字法原理圖

2.5 互相關法

互相關法由2個相互獨立的相位噪聲測量系統組成，最后將2個測量結果進行互相關處理。由于2個測量系統相互獨立，產生的噪聲是非相關性的，在使用互相關算法進行運算后非相關性噪聲受到大幅度的抑制。對幾種主要測量方法的優缺點進行比較，結果如表1所示[6-7]。

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2.6 FSWP

本文采用的相位噪聲分析儀FSWP采用更加先進的數字相位解調法與互相關法相結合的方法測量相位噪聲，比全數字法擁有更寬的頻率帶寬和更低的噪聲本底。被測信號經分路器分成2路后與本振信號做模擬I/Q混頻，然后分別經過低通濾波器和低噪聲放大器后進行模/數(A/D)采樣，最后一起進入FPGA進行互相關的計算處理。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技術，使得相位噪聲本底提升了5lgm(m為互相關次數)，體積也比同類產品大幅減小，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。