串聯分配對頻率標準源相位噪聲的影響

程 明,姜建飛,2

(1.中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江 嘉興 314033;2.通信信息控制和安全技術國防重點實驗室,浙江 嘉興 314033)

頻率標準源,簡稱頻標源(Frequency Standard),可以用作電子戰系統統一的時間和頻率基準,使系統所獲取、記錄的數據和時間具有嚴格統一的時間標準,是電子戰系統必不可少的設備,在系統中發揮重要的作用[1]。表征頻標源性能的主要指標有:頻率準確度、頻率穩定度、頻率漂移、雜散抑制、信號功率、相位噪聲等[2-3]。因原子鐘具有極高的精度和長期頻率穩定度,因此電子戰系統中一般使用高性能的原子鐘作為頻標源,常用原子鐘有銫原子鐘、銣原子鐘、氫原子鐘等,常用頻率為5 MHz或者10 MHz,其頻率精度≤±5×10-11,長期穩定度≤1×10-9/年,但原子鐘的相位噪聲一般較差,隨著電子技術的飛速發展,現在可以采用鎖相恒溫晶振鎖定原子鐘的方式,得到高穩定度、超低相噪的頻標源信號[4-6]。頻標源是系統統一的時鐘和頻率基準,每一臺單機都需要該基準源,因此常用串聯分配的方式對頻標源進行分配,分別用作各分系統、單機的頻標源。這種串聯分配頻標源的方式,因具有可拓展性強、靈活度高、省掉一個專用頻標功分模塊等優點,常常被設計師采用。但是各單機在接入系統分配的頻標源后,經常會出現單機相噪性能下降的情況,由于對其原理并不是很清楚,經常出現臨時應付,處理不到位的情況,因此研究串聯分配對頻率源相位噪聲的影響,弄清其原理,具有十分重要的應用價值。

1 信號功率與噪聲系數對相位噪聲的影響

1.1 信號功率

頻率標準源信號一般為連續時間信號,并且是周期信號,周期性連續時間信號f t()的功率P定義為:

式中:T為周期;t為時間。

在射頻領域常用dBm表示功率的絕對值,其計算公式為:

式中:P為信號功率;常用1W=30dBm。

1.2 噪聲系數

噪聲系數NF定義為:

式中:SIN/NIN為輸入信噪比;SOUT/NOUT為輸出信噪比。噪聲系數單位為dB。

1.3 相位噪聲

相位噪聲是指各種隨機噪聲所引起的瞬時頻率或相位起伏。由于相位噪聲的存在,在頻域中表現為噪聲邊帶連續分布在載波頻率的上下邊帶,在研究問題時只需要考慮一個邊帶即可,稱為單邊帶相位噪聲,美國國家標準局把它定義為偏離載波fm,在1Hz帶寬內相位調制邊帶的功率PSSB與總信號功率PS之比[7]:

相位噪聲的單位為:dBc/Hz。

1.4 三者之間的關系

下面以放大器為例說明三者之間的關系,可將功分器、衰減器看做增益為負即可。

放大器輸出端信號和噪聲有效電壓分別為:

式中:G為放大器增益,單位為dB;PS為輸入信號功率,單位為dBm;k為玻爾茲曼常數;T為熱力學溫度,單位為K;B為帶寬,單位為Hz;有效值噪聲電壓產生相位調制,其相角為Δ?rms時,在小角度調制下有:

相位抖動譜密度:

根據相位調制理論和公式(5),可由貝塞爾函數導出相位噪聲與相位抖動譜密度的關系[8-9]:

把上式用對數表示:

由上式可知,頻標源的相位噪聲主要與兩個因素相關:

1)分配鏈路的噪聲系數NF。這里的噪聲系數是指整個鏈路的總噪聲系數,在串聯分配鏈路中,由于要將信號分成多路并且需要多級,因此整個鏈路的噪聲系數是非常大的,總噪聲系數大于30 dB也不少見。

2)信號功率PS。這里與每一級的信號功率息息相關,如果其中某一級的信號功率太小(比如信號功率小于-20 dBm),基底噪聲將差于頻標源相噪,即使后面再把頻標源的信號功率進行放大,該頻標源的相噪也會惡化。

2 串聯分配的性能分析和仿真

因為頻標源是大系統統一的頻率和時間基準源,所有的分系統和單機都要用到,因此需要將頻標源進行多次分路和傳輸,再通過電纜接入各個分系統和單機。串聯分配方式因具有靈活方便、節省體積等優點,是一種常用的頻標源分配方式,多用于單機內部,常見方案如圖1所示。

圖1 串聯分配鏈路示意圖Fig.1 Series distribution link diagram

由于電子戰系統非常復雜,因此單機數M可暫時按照M≥10考慮。單機內部下變頻模塊規模也十分多,模塊數量常常超過12個,因此上圖中單機下變頻模塊的數量N≥12。

在仿真和分析之前,首先假定已知如下參數:

1)單機數M=10,模塊數N=12;功分器按照10路功分計算,插損為11 dB;單機模塊間連接電纜損耗按照2 dB估算;

2)原子鐘輸出10 MHz,經過鎖相恒溫晶振后鎖定,輸出超低相噪的 100 MHz信號,幅度為+14 dBm,相噪為≤-157 dBc/Hz@10 kHz;

3)放大器噪聲系數NF=3dB,增益G=13 dB;

4)假定標頻輸入與輸出幅度相等都為0 dBm。下變頻模塊內部的功分器按照4功分考慮,功分器插損約為7 dB。為了調節模塊對外輸出的標頻幅度,一般需加一衰減器進行調節,假定該衰減器衰減量為4 dB。

可對該串聯分配鏈路的噪聲系數和功率進行仿真,仿真結果如下圖2～4所示[10]:

由仿真圖可知,串聯分配鏈路總NF=27.5 dB,最終頻標輸出功率為0 dBm。將以上參數代入公式(11)可得第12個模塊的輸入標頻相噪為:

而標頻源單機的輸出相噪為-157 dBc/Hz@10 kHz,當頻標源串聯分配到第12個模塊時,相噪下降了約15 dB,有比較大的惡化,這將對下變頻模塊的本振相噪有非常大的影響[11]。

圖2 模塊內部1級標頻分配仿真圖Fig.2 One level standard frequency distribution simulation diagram in the module

圖3 5級下變頻模塊串聯分配標頻仿真圖Fig.3 Five level down conversion module series distribution simulation diagram

圖4 串聯分配標頻總仿真圖Fig.4 General simulation diagram of series distribution standard frequency

3 實驗驗證與改進措施

課題組在某機載型號項目上進行了驗證,實驗條件如下:

1)常溫條件下測試;

2)單機數M=12,單機內部下變頻模塊數N=12,即單機內部頻標源串聯分配了12次;

3)單機間連接電纜約1.5 m;

4)頻率標準源為100 MHz,幅度約為15 dBm,相噪為≤-155 dBc/Hz@10 kHz;

5)下變頻模塊的頻標源輸入輸出幅度為0～5 dBm。

6)使用信號源分析儀E5052A測試相位噪聲;測試結果如圖5所示,測試數據如表1。

圖5 第12級相噪測試結果圖Fig.5 Twelfth stage phase noise test result

表1 串聯分配相噪測試表Tab.1 Series distribution phase noise test table

由測試可知,當串聯5級和12級時,相噪有了比較大的惡化,此時標頻源的相噪不再滿足使用要求。

由以上分析和實驗可知,標頻分配電路的噪聲系數和信號功率對相位噪聲有直接的影響,當需要對標頻源進行多路分配時,串聯分配方式往往不滿足系統需要,此時不妨采用并聯分配方式;但并聯分配方式需要單獨的標頻分配模塊,因此增加了成本和體積,這需要在系統設計階段應該加以考慮。并聯分配方式的原理圖和仿真圖如圖6～7所示。

圖6 并聯分配標頻方案圖Fig.6 Parallel distribution standard frequency scheme

圖7 并聯分配仿真圖Fig.7 Parallel distribution simulation

由并聯分配仿真圖可知,并聯分配鏈路總NF=19.48 dB,每一級功率都大于0 dBm。將以上參數帶入公式(11)可得下變頻模塊輸入標頻相噪為

并聯分配后標頻相噪相對頻標源有3 dB的下降,但基本也可以滿足下變頻模塊的需要。

4 總結

在實際工程應用中,串聯分配是系統中比較常見的頻標源分配方式,但這種串聯分配方式有其局限性,往往導致頻標源的相噪產生比較大的惡化。本文闡述了串聯分配的基本原理,對串聯分配的噪聲系數和信號功率進行了仿真,分析了末級相噪的惡化情況。課題組在某機載項目中進行了實驗驗證和測試,頻標源的初始相位噪聲為-155 dBc/Hz@10 kHz,經過串聯分配后的末級相噪僅有-139.36 dBc/Hz@10 kHz,末級相噪惡化了15 dB以上,嚴重影響了下變頻模塊的相噪性能,降低了系統動態范圍和解調性能[12-13]。為了解決該問題,課題組提出了一種并聯分配方式,經過分析和論證,該并聯分配的相噪約為-151 dBc/Hz@10 kHz,基本可以滿足系統使用需要,對實際工程應用具有一定指導意義[14-15]。

通過理論分析、仿真和實際測試驗證,可得出結論如下:

1)串聯分配鏈路的噪聲系數NF和信號功率PS對頻率標準源的相位噪聲ζ(f)有重要影響;

2)當串聯級數較多時,頻率標準源的相噪會有較大惡化,不能滿足使用要求。此時建議使用并聯分配方式。