抗振晶體振蕩器相位噪聲測試方法的對比研究

陳中平，徐淑壹，賈英茜，王占奎

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第13研究所第16專業(yè)部，河北石家莊 050051;2.石家莊學(xué)院電氣信息工程系，河北石家莊 050035)

在電子系統(tǒng)中，晶體振蕩器的相位噪聲是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，無論是靜止還是振動狀態(tài)都要求進(jìn)行測試相位噪聲性能［1］。對于常規(guī)晶體振蕩器靜止?fàn)顟B(tài)下的相位噪聲，常規(guī)相位噪聲測試系統(tǒng)都能準(zhǔn)確地進(jìn)行相位噪聲測試。但抗振晶體振蕩器振動狀態(tài)下的相位噪聲曲線與常規(guī)晶體振蕩器有較大不同［2］。如果整機(jī)系統(tǒng)直接按常規(guī)晶體振蕩器的測試方法對抗振晶體振蕩器進(jìn)行測試，測試曲線則有可能不正常。

本文分析了抗振晶體振蕩器的相位噪聲及其測試方法，通過對比測試發(fā)現(xiàn)不同測試系統(tǒng)存在測試結(jié)果不同的問題。最終通過系統(tǒng)設(shè)置和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解決了測試結(jié)果不正常的問題，使測試結(jié)果達(dá)到一致。

1 相位噪聲的測試方法

目前晶體振蕩器相位噪聲的測試方法有兩種，一種是采用相位檢波器法的正交技術(shù)，測試原理框圖如圖1所示［3］。測試時(shí)需要一個(gè)參考源，被測件被鎖定在參考源時(shí)才能進(jìn)行測試，PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)就是采用正交技術(shù)。另一種是采用互相關(guān)技術(shù)的測試方法，原理框圖如圖2所示。

被測件的相位噪聲可表示為

一方面可以通過增加相關(guān)次數(shù)NCorrelation消除測試系統(tǒng)的誤差，最大限度降低測試系統(tǒng)的影響。另一方面測試時(shí)不需要參考源鎖定，測試比較方便，且測試速度快。E5052A信號源分析儀的測試方法就是采用互相關(guān)技術(shù)。

圖1 正交技術(shù)原理框圖

圖2 互相關(guān)技術(shù)原理框圖

2 抗振晶體振蕩器的相位噪聲

常規(guī)晶體振蕩器振動狀態(tài)下的相位噪聲相對于靜止?fàn)顟B(tài)會有約50 dB的惡化。所以常規(guī)抗振晶體振蕩器一般都是采用減振方式對晶體振蕩器進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)，減振器的諧振頻率約為30 Hz，降低晶體振蕩器遠(yuǎn)端的相位噪聲，從而使抗振晶體振蕩器與常規(guī)晶體振蕩器的動態(tài)相位噪聲曲線有所不同［2］。在10～100 Hz之間，相位噪聲最差，與未減振時(shí)差別不大，并且在30 Hz處附近會有諧振放大而惡化。而在100～1000 Hz之間，此部分頻偏處的相位噪聲每10倍頻程相位噪聲的變化較大，下降高達(dá)50 ～60 dB［2］。

3 對比測試

在相同振動條件下，分別使用E5052A信號源分析儀和PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)對同一只抗振晶體振蕩器進(jìn)行相位噪聲測試，輸出頻率為100 MHz［4］，測試曲線如圖3和圖4所示。

圖3 E5052A測試曲線

圖4 PN8000測試曲線

如圖3所示，E5052A信號源分析儀的測試曲線正常，在頻偏1 kHz處的動態(tài)相位噪聲曲線是連續(xù)的，為－148 dBc/Hz。但在圖5中PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)的測試曲線明顯不正常，在頻偏10～400 Hz和1 kHz～1 MHz處，PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)與E5052A信號源分析儀測試結(jié)果一致。而在頻偏100 Hz～1 kHz處，頻偏1 kHz處的動態(tài)相位噪聲為－138 dBc/Hz。在頻偏1～10 kHz處，頻偏1 kHz處的動態(tài)相位噪聲為－148 dBc/Hz，兩處的相位噪聲相差10 dB，使頻偏1 kHz處的測試曲線呈現(xiàn)臺階狀態(tài)［5］。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

E5052A信號源分析儀的中頻增益在所有頻偏處設(shè)置為固定值，所以系統(tǒng)的噪底不會因?yàn)榫w振蕩器的相位噪聲變差而受到影響，測試結(jié)果即為抗振晶體振蕩器實(shí)際的動態(tài)相位噪聲。而PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)在進(jìn)行相位噪聲測試時(shí)，每10倍頻程為一段，從遠(yuǎn)端開始逐一測試。初始中頻增益自動設(shè)置為90 dB。在測試每一頻段時(shí)首先對噪聲進(jìn)行掃描和評估此段頻偏處的相位噪聲。如果相位噪聲較差時(shí)，測試系統(tǒng)則會自動降低該段頻偏處的中頻增益，否則系統(tǒng)將無法進(jìn)行測試或測試結(jié)果不正常。但由于中頻增益的下降此時(shí)測試系統(tǒng)的噪底也會相應(yīng)惡化，測試結(jié)果有可能不正常，最終無法準(zhǔn)確測量抗振晶體振蕩器的相位噪聲。

將PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)的中頻增益設(shè)置為固定值時(shí)，測試100 MHz抗振晶體振蕩器靜止?fàn)顟B(tài)下的相位噪聲，測試結(jié)果如圖5所示，曲線從上至下分別是中頻增益為 30 dB、40 dB、50 dB、60 dB、70 dB 和80 dB時(shí)的靜態(tài)相位噪聲測試結(jié)果。中頻增益的降低對系統(tǒng)本底將會惡化，特別是對100 Hz以后的相位噪聲的測試影響較大。所以測試系統(tǒng)噪底的惡化將不能準(zhǔn)確地測量抗振晶體振蕩器的相位噪聲。中頻增益至少80 dB時(shí)才能準(zhǔn)確測試此抗振晶體振蕩器的靜態(tài)相位噪聲。

在實(shí)際測試時(shí)，PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)在測試頻偏1 kHz～1 MHz處的相位噪聲時(shí)，測試系統(tǒng)的中頻增益為90 dB。如圖5所示，此時(shí)1 kHz處測試系統(tǒng)的噪底約為－160 dBc/Hz，比抗振晶體振蕩器的實(shí)際相位噪聲要低，所以圖4在頻偏1 kHz～1 MHz的1 kHz處的測試數(shù)據(jù)是實(shí)際抗振晶體振蕩器的相位噪聲，為－148 dBc/Hz。PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)在進(jìn)行頻偏100 Hz～1 kHz處的相位噪聲時(shí)，由于100 Hz處的相位噪聲較差，測試系統(tǒng)自動將中頻增益下降為60 dB。如圖5所示，此時(shí)100 Hz處測試系統(tǒng)的噪底約為－130 dBc/Hz，比抗振晶體振蕩器的實(shí)際相位噪聲要低，所以PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)在100 Hz處的測試數(shù)據(jù)為實(shí)際抗振晶體振蕩器的相位噪聲。在1 kHz處測試系統(tǒng)的噪底約為－140 dBc/Hz，比抗振晶體振蕩器的實(shí)際相位噪聲高，所以圖4在頻偏100 Hz～1 kHz中，1 kHz處的測試數(shù)據(jù)是測試系統(tǒng)此時(shí)的噪底，約為－138 dBc/Hz。最終導(dǎo)致PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)測試抗振晶體振蕩器的動態(tài)相位噪聲時(shí)，測試曲線呈現(xiàn)臺階狀態(tài)。

為解決此問題，重新設(shè)置PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)的功能設(shè)置。增加PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)中的噪底優(yōu)化功能。此噪底優(yōu)化功能主要是通過將測試系統(tǒng)中測試軟件的采樣點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分，增加采樣數(shù)據(jù)量，降低測試系統(tǒng)的影響。所以增加噪底優(yōu)化的功能后，可以降低測試系統(tǒng)的噪底，但同時(shí)由于數(shù)據(jù)量增加較大，測試時(shí)間將會延長。增加噪底優(yōu)化的功能后，測試結(jié)果如圖6所示，中頻增益達(dá)到60 dB時(shí)就能準(zhǔn)確測試此抗振晶體振蕩器的靜態(tài)相位噪聲［6］。

圖5 噪底優(yōu)化前的靜態(tài)相位噪聲

圖6 噪底優(yōu)化后的靜態(tài)相位噪聲

通過增加優(yōu)化噪底功能后，測試曲線如圖7所示，增加優(yōu)化噪底功能后，頻偏1 kHz處的動態(tài)相位噪聲為－148 dBc/Hz。消除了測試曲線上此處的臺階狀態(tài)，與E5052A信號源分析儀的測試結(jié)果達(dá)成一致。所以，通過增加優(yōu)化噪底功能可以解決PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)測試抗振晶體振蕩器相位噪聲曲線不正常的問題。

圖7 噪底優(yōu)化后的動態(tài)相位噪聲

5 結(jié)束語

本文分析了抗振晶體振蕩器的相位噪聲及其兩種測試方法，通過增加優(yōu)化噪底功能和對比實(shí)驗(yàn)，解決了抗振晶體振蕩器在兩種測試系統(tǒng)中測試結(jié)果不同的問題，使兩種測試系統(tǒng)的測試結(jié)果達(dá)成一致，為分析抗振晶體振蕩器和整機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)相位噪聲測試問題提供了參考。

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