相位噪聲指標(biāo)對(duì)于當(dāng)前的射頻微波系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等電子系統(tǒng)影響非常明顯,將直接影響系統(tǒng)指標(biāo)的優(yōu)劣。該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)計(jì)均具有指導(dǎo)意義。相位噪聲指標(biāo)的測試手段很多,如何能夠精準(zhǔn)的測量該指標(biāo)是射頻微波領(lǐng)域的一項(xiàng)重要任務(wù)。隨著當(dāng)前接收機(jī)相位噪聲指標(biāo)越來越高,相應(yīng)的測試技術(shù)和測試手段也有了很大的進(jìn)步。同時(shí),與相位噪聲測試相關(guān)的其他測試需求也越來越多,如何準(zhǔn)確的進(jìn)行這些指標(biāo)的測試也愈發(fā)重要。
1、引言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,器件的噪聲系數(shù)越來越低,放大器的動(dòng)態(tài)范圍也越來越大,增益也大有提高,使得電路系統(tǒng)的靈敏度和選擇性以及線性度等主要技術(shù)指標(biāo)都得到較好的解決。同時(shí),隨著技術(shù)的不斷提高,對(duì)電路系統(tǒng)又提出了更高的要求,這就要求電路系統(tǒng)必須具有較低的相位噪聲,在現(xiàn)代技術(shù)中,相位噪聲已成為限制電路系統(tǒng)的主要因素。低相位噪聲對(duì)于提高電路系統(tǒng)性能起到重要作用。
相位噪聲好壞對(duì)通訊系統(tǒng)有很大影響,尤其現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中狀態(tài)很多,頻道又很密集,并且不斷的變換,所以對(duì)相位噪聲的要求也愈來愈高。如果本振信號(hào)的相位噪聲較差,會(huì)增加通信中的誤碼率,影響載頻跟蹤精度。相位噪聲不好,不僅增加誤碼率、影響載頻跟蹤精度,還影響通信接收機(jī)信道內(nèi)、外性能測量,相位噪聲對(duì)鄰近頻道選擇性有影響。如果要求接收機(jī)選擇性越高,則相位噪聲就必須更好,要求接收機(jī)靈敏度越高,相位噪聲也必須更好。
總之,對(duì)于現(xiàn)代通信的各種接收機(jī),相位噪聲指標(biāo)尤為重要,對(duì)于該指標(biāo)的精準(zhǔn)測試要求也越來越高,相應(yīng)的技術(shù)手段要求也越來越高。
2、相位噪聲基礎(chǔ)
2.1、什么是相位噪聲
相位噪聲是振蕩器在短時(shí)間內(nèi)頻率穩(wěn)定度的度量參數(shù)。它來源于振蕩器輸出信號(hào)由噪聲引起的相位、頻率的變化。頻率穩(wěn)定度分為兩個(gè)方面:長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度,其中,短期穩(wěn)定度在時(shí)域內(nèi)用艾倫方差來表示,在頻域內(nèi)用相位噪聲來表示。
2.2、相位噪聲的定義
IEEE standard 1139-1988:以載波的幅度為參考,在偏移一定的頻率下的單邊帶相對(duì)噪聲功率。這個(gè)數(shù)值是指在1Hz的帶寬下的相對(duì)噪聲電平,其單位為dBc/Hz。該定義最早是基于頻譜儀法測試相位噪聲,不區(qū)分調(diào)幅噪聲和調(diào)相噪聲。
IEEE standard 1139-1999: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,其單位為dBc/Hz。其中Sφ(f)為隨機(jī)相位波動(dòng)φ(t)的單邊帶功率譜密度,其物理量綱是rad2/Hz。 該定義基于鑒相器法測量相位噪聲,使載波降頻變換為接近直流,高噪聲下,會(huì)引起L(f)和Sφ(f)之間顯著的差異。
3、CW信號(hào)相位噪聲的測試原理及方法
3.1、頻譜儀測試法
3.1.1、直接頻譜分析(Marker Function)
該方法按照相位噪聲的基本定義,首先測量中心載波的信號(hào)功率,然后測量某一頻偏處噪聲功率,最后做計(jì)算即可得到相位噪聲值。
3.1.2、頻譜儀自動(dòng)測試(Phase Noise)
該方法還是基于頻譜儀測試載波功率和噪聲功率,但是可以自動(dòng)進(jìn)行測試,并顯示出完整的測試曲線,頻偏范圍可以自由設(shè)定,操作簡便快捷,精準(zhǔn)度比頻譜儀直接測試法要高,測試速度要快。
總之,頻譜儀法測試相位噪聲均基于頻譜測試的結(jié)果進(jìn)行相位噪聲的計(jì)算,該測試法無法區(qū)分調(diào)幅噪聲和相位噪聲,靈敏度受儀器固有的相位噪聲限制,無載波抑制,測量范圍受分辨率濾波器形狀因子限制,動(dòng)態(tài)范圍有限等缺點(diǎn);但是,該方法測試設(shè)置簡單、快捷,頻率偏移范圍大,可測試很多信號(hào)源的特性,比如:雜散發(fā)射、鄰信道功率泄漏、高次諧波;并且可以直接顯示相位噪聲曲線(當(dāng)調(diào)幅噪聲忽略不計(jì)時(shí))。
3.2、鑒相器測試法
3.2.1、鑒相器測試原理
鑒相器法是采用被測信號(hào)源與一同頻參考信號(hào)源進(jìn)行鑒相,鑒相器輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波器和低噪聲放大器后輸入到頻譜儀或接收機(jī)中。
3.2.2、延遲線測試法
延遲線法是把被測信號(hào)分成兩路,一路信號(hào)經(jīng)過延遲線后與另一路經(jīng)過一個(gè)移相器移相后的信號(hào)進(jìn)行鑒相,然后再濾波放大分析。延遲線的作用是將頻率的變化轉(zhuǎn)化為相位的變化,當(dāng)頻率變化時(shí),將在延遲線中引起相位正比例的變化。雙平衡混頻器將相位變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。