基于相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度測(cè)量方法

葉玲玲 石明華 沈小青 樓楊 中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214431

基于相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度測(cè)量方法

葉玲玲 石明華 沈小青 樓楊 中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214431

介紹了基于相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)域頻率穩(wěn)定度測(cè)量原理和方法，主要解決傳統(tǒng)測(cè)量時(shí)域短期頻率穩(wěn)定度的高附加相位噪聲影響，提高了短期頻率穩(wěn)定度的測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了低附加相位噪聲的頻率穩(wěn)定度測(cè)量。

頻率穩(wěn)定度；測(cè)量；相位噪聲

Frequency stab；ilityMeasurem；en tPhase Noise

前言

頻率穩(wěn)定度按觀測(cè)域的不同，分為時(shí)域頻率穩(wěn)定度（簡(jiǎn)稱(chēng)頻率穩(wěn)定度）和頻域頻率穩(wěn)定度(通稱(chēng)相位噪聲)。隨著通信、雷達(dá)等高科技的發(fā)展，頻率穩(wěn)定度和相位噪聲往往成為系統(tǒng)性能的限制性因素，成為整機(jī)系統(tǒng)、頻率源、多種兩端口頻率控制和變換部件設(shè)計(jì)中必須認(rèn)真考慮的性能指標(biāo)。在目前的相位噪聲測(cè)試裝置中，法國(guó)的PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)[1]（下稱(chēng)PN9000）是其中的佼佼者。本文主要探討該系統(tǒng)在時(shí)域頻率穩(wěn)定度測(cè)量中的應(yīng)用。

1 測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

PN9000是模塊化的測(cè)量系統(tǒng)，相關(guān)測(cè)量部件都以模塊形式插在主機(jī)箱內(nèi)。根據(jù)參考源、頻率范圍和信號(hào)分析的需要，系統(tǒng)可進(jìn)行不同的配置。其基本系統(tǒng)由機(jī)箱、五個(gè)基本模塊、電腦、IEEE接口、電腦主機(jī)箱內(nèi)的數(shù)字轉(zhuǎn)換板和測(cè)量軟件組成。

2 頻率穩(wěn)定度分類(lèi)及測(cè)量

頻率穩(wěn)定度指由于頻率源內(nèi)部噪聲引起的頻率取樣值的隨機(jī)起伏，是描述平均頻率隨機(jī)變化的量，平均時(shí)間即采樣時(shí)間。信號(hào)的頻率穩(wěn)定度是時(shí)域內(nèi)頻率f(t)相對(duì)于中心頻率f0的穩(wěn)定性表征參數(shù)，如（1）式所示。間接測(cè)量阿倫方差[5]，即采用頻域到時(shí)域變換的測(cè)量，有本底相位噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，非常適合毫秒級(jí)的短穩(wěn)測(cè)量。而對(duì)于長(zhǎng)穩(wěn)，PN9000則采用“參考源頻偏”法在時(shí)域中直接測(cè)量阿倫方差，需要選用PN3100選件才能完成這種測(cè)量。

2.1 PN9000對(duì)短穩(wěn)的測(cè)量

2.1.1 測(cè)量原理

相噪理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)認(rèn)為，頻域的相位噪聲和時(shí)域的短穩(wěn)（阿倫方差）是等效的[4]，可以根據(jù)相位噪聲譜密度換算到阿倫方差，如（2）式所示：

f0是載波中心頻率，T是穩(wěn)定度時(shí)間，Sφ(f)是頻偏為f時(shí)的相位噪聲譜密度。

按(2)式，理論上從相位噪聲換算到阿倫方差的積分區(qū)間應(yīng)從0至無(wú)窮大，這意味著PN9000的相噪頻偏分析范圍也應(yīng)從偏離載波0至無(wú)窮遠(yuǎn)，但對(duì)于實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)是做不到的。因此從相位噪聲測(cè)量結(jié)果計(jì)算頻率穩(wěn)定度[5]有個(gè)頻率下限和上限的選擇問(wèn)題。PN9000應(yīng)該選擇合理的積分區(qū)間，既保證運(yùn)算結(jié)果的誤差范圍在允許范圍內(nèi)，又保證系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量。頻率下限由規(guī)定頻率穩(wěn)定度指標(biāo)所在的時(shí)間段T決定。頻率上限選取保證對(duì)平坦的頻率抖動(dòng)在高頻端的收斂，因?yàn)槎鄶?shù)信號(hào)源由于熱噪聲貢獻(xiàn)，在高頻率偏移處的相位噪聲呈平坦?fàn)睢?/p>

通常認(rèn)為，積分起始點(diǎn)fc應(yīng)選為:

T是短穩(wěn)時(shí)間。積分結(jié)束點(diǎn)理論上越遠(yuǎn)越好，一般來(lái)說(shuō)選為1MHz即可保證準(zhǔn)確度。PN9000的測(cè)試本底（測(cè)試靈敏度）如表1所示：

頻率穩(wěn)定度最常用的表達(dá)式是阿倫方差。根據(jù)穩(wěn)定度時(shí)間的長(zhǎng)短，分為短期穩(wěn)定度，如1ms、10ms、100ms、1s穩(wěn)定度等，中長(zhǎng)期穩(wěn)定度，如1s、10s ,……,10000s穩(wěn)定度等。

噪聲對(duì)頻標(biāo)輸出頻率的干擾往往不是表現(xiàn)在頻率值變化上，而是表現(xiàn)為對(duì)輸出信號(hào)的干擾，也就是表現(xiàn)為相位噪聲，通常認(rèn)為相位噪聲就是短期頻率穩(wěn)定度[2]的頻域表征方式。而頻率源長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度和相位噪聲無(wú)太多聯(lián)系[3]。

傳統(tǒng)的穩(wěn)定度測(cè)量常用頻差倍增測(cè)頻法，但由于頻差倍增器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生的附加噪聲來(lái)源多，如104倍增要經(jīng)過(guò)五次倍頻、四次混頻、濾波、放大，由于這些附加相位噪聲的限制，在頻率源的毫秒、秒級(jí)穩(wěn)定度測(cè)量中較少采用。 PN9000的短穩(wěn)測(cè)量采用從已知的相位噪聲計(jì)算頻率抖動(dòng)的方法

表1 PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)短穩(wěn)測(cè)試靈敏度(10MHz)

2.1.2 測(cè)量方法

首先根據(jù)穩(wěn)定度時(shí)間和方程（3），確定相噪測(cè)量頻偏區(qū)間。測(cè)量完信號(hào)的相位噪聲后，在測(cè)試窗口頂部菜單選擇“T o o l s/M a t h s”，出現(xiàn)f x窗口，選擇“Variance”，依據(jù)窗口內(nèi)容選擇好積分起始頻偏、積分終止頻偏、載波頻率和穩(wěn)定度時(shí)間等設(shè)置，點(diǎn)擊“Execute”完成計(jì)算，在“Result”旁的窗口顯示計(jì)算結(jié)果。

2.2 PN9000對(duì)中長(zhǎng)穩(wěn)的測(cè)量

2.2.1 測(cè)量原理

中長(zhǎng)期穩(wěn)定度測(cè)量需要PN3100選件,通過(guò)內(nèi)置頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量。計(jì)數(shù)器在一個(gè)指定的時(shí)間閘門(mén)周期τ上測(cè)量瞬時(shí)頻率（f）的平均表閘門(mén)頻率的樣本。對(duì)上述測(cè)量值進(jìn)行歸一化處理，得到的標(biāo)稱(chēng)頻率。阿倫方差的計(jì)算公式如（4）式所示：

yk是第k個(gè)歸一化頻率測(cè)量值。

將被測(cè)頻率信號(hào)與PN9000鑒相器RF輸入端連接，參考源信號(hào)與鑒相器LO輸入端連接。由于沒(méi)有鎖相，鑒相器相當(dāng)于混頻器。調(diào)節(jié)被測(cè)源或參考源，以在混頻器輸出得到很低的拍頻，此差拍信號(hào)用計(jì)數(shù)器測(cè)出。參考源的穩(wěn)定度應(yīng)該優(yōu)于被測(cè)源。PN9000測(cè)量長(zhǎng)穩(wěn)分辨率如表2所示。

表2 PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)中長(zhǎng)穩(wěn)測(cè)試靈敏度（10MHz）

2.2.2 測(cè)量方法

依據(jù)測(cè)量原理，進(jìn)行被測(cè)頻率源和PN9000連接;進(jìn)入測(cè)試窗口，在“Method”菜單中選擇“F Stability”→ “One Point Meas.”或“Curve”。如選擇“One Point Meas.”，在上面窗口中依次輸入被測(cè)頻率、選擇參考源、調(diào)整IF頻率、選擇平均次數(shù)和要測(cè)量穩(wěn)定度的時(shí)間，點(diǎn)擊“M e a s u r e”，測(cè)量結(jié)果就在“A l l a n Deviationn”下方的黑框中顯示；如選擇“Curve”，出現(xiàn)測(cè)試窗口，依次輸入被測(cè)頻率、選擇參考源、調(diào)整IF頻率、選擇平均次數(shù)和要測(cè)量穩(wěn)定度的時(shí)間區(qū)間，點(diǎn)擊“Measure”，測(cè)量結(jié)果就以曲線(xiàn)形式顯示在窗口中。

3 小結(jié)

目前，頻率穩(wěn)定度測(cè)量通常采用時(shí)域內(nèi)測(cè)頻法，如頻差倍增法、差拍法等，但這些方法都受到頻差倍增器或倍頻器的附加相位噪聲影響。用PN9000測(cè)量短穩(wěn)有明顯的優(yōu)勢(shì)，具有本底相位噪聲低的特點(diǎn)，克服了頻差倍增器等引入高附加相位噪聲的缺點(diǎn)，提高了測(cè)量短穩(wěn)的精度。對(duì)于中長(zhǎng)穩(wěn)的測(cè)量，PN9000采用時(shí)域測(cè)量方法，也可滿(mǎn)足測(cè)量需求。

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In this paper it is mainly introduced the measure principle and method to frequency stability using a Phase Noise Measurement System and reduce th impact of additional noise.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.098