基于相位噪聲分析儀FSWP的相位噪聲測(cè)量不確定度分析

張滄慶(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引 言

隨著通信技術(shù)的突飛猛進(jìn)，通信系統(tǒng)對(duì)相位噪聲指標(biāo)的要求越來(lái)越高，相位噪聲指標(biāo)的好壞在航空航天、衛(wèi)星導(dǎo)航、遙感遙測(cè)、電子對(duì)抗、雷達(dá)應(yīng)用等重要領(lǐng)域影響巨大。如何準(zhǔn)確測(cè)量相位噪聲成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，如何對(duì)相位噪聲分析儀進(jìn)行不確定度分析也是各大實(shí)驗(yàn)室的重中之重[1]。

1 相位噪聲

在頻域中把頻率源輸出信號(hào)的隨機(jī)相位或頻率起伏統(tǒng)稱為相位噪聲[2]，假設(shè)一理想信號(hào)為：

V(t)=V0cos2πf0t

(1)

式中：V0為峰值電壓幅度；f0為載波頻率。

但在實(shí)際電路中，噪聲是不可避免的。因此，實(shí)際信號(hào)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(lái)表示。單邊帶相位噪聲L(f)定義為隨機(jī)相位波動(dòng)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(cè)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(dāng)?shù)念l譜儀，將被測(cè)信號(hào)加載到頻譜儀上。根據(jù)式(1)計(jì)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(cè)量隨機(jī)噪聲的修正值。

2.2 鑒相器法

鑒相器法將待測(cè)信號(hào)的相位起伏變成電壓起伏，再用頻譜儀測(cè)量這個(gè)電壓起伏。被測(cè)信號(hào)與同頻且正交的參考信號(hào)進(jìn)入鑒相器后變成電壓起伏，低通濾波器濾除高頻信號(hào)項(xiàng)，可得電壓起伏ΔU=KφΔφ，Kφ為鑒相系數(shù)。這樣就把相位起伏變成電壓起伏，再通過(guò)低噪聲放大器放大，頻譜儀就可以檢測(cè)出來(lái)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(cè)量法)

鑒頻法通過(guò)鑒相器獲得被測(cè)信號(hào)頻率起伏對(duì)應(yīng)的電壓，再用頻譜儀測(cè)量這個(gè)電壓起伏。被測(cè)信號(hào)被功分器分成2路信號(hào)，其中一路信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲線后產(chǎn)生時(shí)延τ，由此產(chǎn)生固定的頻率偏移φ=2πfτ，調(diào)節(jié)可調(diào)移相器使之與延遲線的信號(hào)相位正交。信號(hào)經(jīng)過(guò)鑒相器后變成電壓起伏，低通濾波器濾除高頻信號(hào)項(xiàng)，可得電壓起伏ΔU=KφΔφ=Kφ2πΔfτ，Kφ為鑒相系數(shù)。這樣就把頻率起伏變成電壓起伏，再通過(guò)低噪聲放大器放大，頻譜儀就可以檢測(cè)出來(lái)了，如圖2所示。

2.4 全數(shù)字法

全數(shù)字法是將被測(cè)信號(hào)看做數(shù)字調(diào)制信號(hào)，測(cè)量相位噪聲的過(guò)程就是數(shù)字解調(diào)的過(guò)程。被測(cè)信號(hào)通過(guò)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)后分為I、Q 2路，分別與參考信號(hào)進(jìn)行數(shù)字混頻，通過(guò)數(shù)字低通濾波器后進(jìn)行數(shù)字處理，得到相噪信息，如圖3所示。

圖3 全數(shù)字法原理圖

2.5 互相關(guān)法

互相關(guān)法由2個(gè)相互獨(dú)立的相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)組成，最后將2個(gè)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行互相關(guān)處理。由于2個(gè)測(cè)量系統(tǒng)相互獨(dú)立，產(chǎn)生的噪聲是非相關(guān)性的，在使用互相關(guān)算法進(jìn)行運(yùn)算后非相關(guān)性噪聲受到大幅度的抑制。對(duì)幾種主要測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示[6-7]。

這天的夜晚，阿東把自己的床拖到阿里的床邊并成一張大床。他們自小住同一房間，但各睡各的床。這天的阿東卻擔(dān)心阿里夜里會(huì)鬧，便盡量讓自己離他近些。阿里翻著眼睛望著他做這些，不明白他何故如此，但卻什么也沒(méi)有說(shuō)。

2.6 FSWP

本文采用的相位噪聲分析儀FSWP采用更加先進(jìn)的數(shù)字相位解調(diào)法與互相關(guān)法相結(jié)合的方法測(cè)量相位噪聲，比全數(shù)字法擁有更寬的頻率帶寬和更低的噪聲本底。被測(cè)信號(hào)經(jīng)分路器分成2路后與本振信號(hào)做模擬I/Q混頻，然后分別經(jīng)過(guò)低通濾波器和低噪聲放大器后進(jìn)行模/數(shù)(A/D)采樣，最后一起進(jìn)入FPGA進(jìn)行互相關(guān)的計(jì)算處理。FSWP采用高速ADC使得分析帶寬可超過(guò)30 MHz，使用具有超低相位噪聲參考源的同時(shí)使用互相關(guān)技術(shù)，使得相位噪聲本底提升了5lgm(m為互相關(guān)次數(shù))，體積也比同類產(chǎn)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?？傊阅軆?yōu)異、速度快捷、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單的FSWP是測(cè)量相位噪聲的首選，如圖4所示。

圖4 FSWP原理圖

3 FSWP測(cè)量相位噪聲的不確定度分析

3.1 測(cè)量分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

表1 主要測(cè)量方法優(yōu)缺點(diǎn)

3.2 相位噪聲分析儀自身相位噪聲(使用互相關(guān)法)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

3.3 雜波引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

表2 雜波對(duì)相位噪聲的影響量與信噪比的關(guān)系

3.4 頻響特性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

3.5 阻抗失配引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5

3.6 功率線性度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u6

3.7 濾波器帶寬引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u7

3.8 電纜引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u8

3.9 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u9

表3 FSWP測(cè)量值

3.10 硬件限制引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u10

測(cè)量相位噪聲高于FSWP自身相位噪聲4～12 dB之間，硬件限制引入的不確定度u10=1.25 dB。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表見表4。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

有效自由度為：

νeff=∞

取k=2時(shí)，則擴(kuò)展不確定度U=kuc=2.8 dB。

表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了相位噪聲的概念，然后具體分析了測(cè)量相位噪聲的幾種主要方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)相位噪聲分析儀FSWP進(jìn)行了不確定度分析，為相位噪聲的測(cè)試、建標(biāo)、校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的申報(bào)以及更深入的理論研究提供了參考依據(jù)。

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