一種脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置，包括下變頻及正交鑒相運算單元，所述下變頻及正交鑒相運算單元自輸入端至輸出端依次包括：下變頻單元、正交鑒相單元和采樣運算單元；所述下變頻單元包括：本振、混頻器、可調(diào)帶通濾波器和一級低噪聲放大單元；所述正交鑒相單元包括鑒相器、低通濾波器、二級低噪聲放大單元、環(huán)路濾波器和參考源；所述采樣運算單元包括A/D采樣單元和分析運算單元，所述正交鑒相單元的輸出信號經(jīng)A/D采樣單元和分析運算單元后得到相位噪聲測量結(jié)果。本發(fā)明減少了所需的測試儀器和電纜的數(shù)量，簡化了測量步驟，降低了測試難度。
【專利說明】一種脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置及方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及測試【技術領域】，特別涉及一種脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置，還涉 及一種脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量方法。

【背景技術】
[0002] 相位噪聲是評估信號頻率短期穩(wěn)定度的重要指標，相位噪聲性能的好壞對電子系 統(tǒng)的整體性能具有重要影響，例如雷達系統(tǒng)的作用距離、目標分辨率，數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼 率、圖像信號質(zhì)量、衛(wèi)星定位精度和接收機系統(tǒng)相鄰信道間信號干擾度等指標都和系統(tǒng)頻 率源的載波相位噪聲有關。
[0003] 由于脈沖調(diào)制信號具有較強的通信安全性和抗干擾性，在保密通信系統(tǒng)和雷達設 備中得到了廣泛應用，發(fā)射和接收信號多以工作于微波毫米波頻段的脈沖調(diào)制載波信號為 主。在脈沖調(diào)制信號產(chǎn)生過程中，調(diào)制電路對信號相位噪聲性能將產(chǎn)生不同程度的惡化，欲 對系統(tǒng)總體性能進行準確評估，必須在實際工作的脈沖調(diào)制狀態(tài)下對輸出信號近載波相位 噪聲進行精確測試，以衡量相位噪聲及脈沖調(diào)制過程對系統(tǒng)性能的綜合影響。
[0004] 目前測量脈沖調(diào)制載波相位噪聲主要有兩種方法：
[0005] 第一種是頻譜分析儀法，使用頻譜分析儀的時間門功能進行測試，測試時序如圖1 所不。測試的基本原理就是在產(chǎn)生脈沖載波的同時，輸出一個觸發(fā)脈沖信號，這兩個信號同 時送給頻譜分析儀。頻譜分析儀根據(jù)信號延遲和脈沖寬度設定門延遲和門寬度，由觸發(fā)信 號同步觸發(fā)，產(chǎn)生實際的門控信號。該門控信號控制頻譜分析儀在門控信號有效期間進行 掃描、采樣和分析，在門控信號無效期間停止掃描和采樣。對載波一定頻偏處相位噪聲的測 量，可以使用頻譜分析儀提供的噪聲頻標功能直接進行，從而得到其相位噪聲信息。
[0006] 頻譜分析儀法典型的測試連接圖如圖2所示。信號發(fā)生器輸出射頻脈沖載波和脈 沖同步輸出信號，這兩個信號同時連接到頻譜分析儀和寬帶示波器，頻譜分析儀的門控信 號通過門輸出接口輸出，連接到寬帶示波器。測量時用寬帶示波器同時監(jiān)測射頻脈沖載波、 脈沖同步輸出和門輸出信號，監(jiān)測三者之間是否滿足測試時序要求，如果不滿足測試時序， 則可以通過信號發(fā)生器調(diào)整脈沖同步輸出延遲，可以通過頻譜分析儀調(diào)整門控信號寬度和 門延時，使得三者滿足測試時序要求。
[0007] 該方法的缺點是不抑制載波，受中頻濾波器形狀的限制，無法解決中頻泄露問題， 導致測量很小頻偏（如頻偏小于10HZ)時，測量結(jié)果偏離很大；該方法要求本振的相位噪聲 要優(yōu)于被測信號，其測量靈敏度受頻譜分析儀本振相位噪聲限制，很難測試相位噪聲很低 的載波信號；另外該方法無法區(qū)分相位噪聲和調(diào)幅噪聲，測量的結(jié)果是相位噪聲和調(diào)幅噪 聲的總和。
[0008] 脈沖載波、觸發(fā)脈沖和門控信號需要用寬帶示波器進行監(jiān)測，并且要手動調(diào)整信 號發(fā)生器和頻譜分析儀的多個參數(shù)才能使三者完全同步，這種方案費時費力，而且要求被 測源要具備觸發(fā)脈沖輸出能力和延遲調(diào)節(jié)能力，要求頻譜分析儀具有門延遲和門寬度調(diào)節(jié) 能力。測試的時間累積的一定的程度，還會導致已經(jīng)同步好的信號失去同步關系，這時需要 重新調(diào)整各個參數(shù)，讓系統(tǒng)重新進入同步狀態(tài)。
[0009] 第二種脈沖調(diào)制載波相位噪聲測試的方法是鑒相法，測試原理框圖如圖3所示， 該方法的基本工作過程是：被測源與參考源混頻鑒相，經(jīng)過鑒相器和低通濾波器輸出瞬時 電壓起伏與輸入信號的瞬時相位起伏呈線性關系，對相位噪聲的測量可以轉(zhuǎn)化為對輸出電 壓起伏測量。鑒相輸出信號經(jīng)低通濾波器、PRF濾波器和低噪聲放大單元處理后，一路經(jīng)環(huán) 路濾波器處理后反饋給參考源，組成閉環(huán)鎖相環(huán)路，保持參考源與被測源頻率相等且相位 正交，另一路送到ADC進行數(shù)字采樣，經(jīng)FFT變換轉(zhuǎn)化成功率譜密度信息，進而分析運算得 到被測信號的相位噪聲值。
[0010] 鑒相器一般采用高性能雙平衡混頻器，其中頻與本振和射頻之間雖有一定隔離， 但脈沖調(diào)制信號的PRF饋通也是不可避免的，它與鑒相器輸出的相位噪聲信號混疊在一 起，而且其絕對量值要遠遠大于相位噪聲信號幅度，所以中頻通道中PRF濾波器的設置是 非常必要的，將有效濾除PRF饋通信號而保留相位噪聲信號。
[0011] 如果參考源為連續(xù)波信號，輸入被測信號為脈沖調(diào)制載波，在脈沖開期間二者同 頻、相位正交，此時被測信號載波的相位噪聲將被有效提??；而在脈沖關期間，由于鑒相器 本振端連續(xù)波參考源的單獨存在，中頻端口將產(chǎn)生較大的直流偏置電壓。這一電壓如無法 消除將使后端放大器迅速進入飽和狀態(tài)，造成系統(tǒng)靈敏度下降。參考源為連續(xù)波時還將把 本振端信號的調(diào)幅噪聲全部轉(zhuǎn)移到中頻端口，而只把部分相位噪聲轉(zhuǎn)入，雖然通常情況下 參考源的調(diào)幅噪聲比相位噪聲要低很多，但隨著脈沖調(diào)制信號占空比的降低，二者將逐漸 趨于接近并最終影響相位噪聲的測量。為消除連續(xù)波鑒相給相位噪聲測量帶來的不利因 素，通常采用脈沖參考源做本振，可有效抑制直流偏置和調(diào)幅噪聲的惡化，但仍需要解決被 測信號與參考源之間的脈沖同步問題。
[0012] 為解決被測信號與參考源之間的脈沖同步問題，現(xiàn)有的測試裝置使用一臺雙通道 脈沖發(fā)生器產(chǎn)生兩路脈沖信號，同時對參考源和被測源進行脈沖調(diào)制。測量連接圖和測量 原理圖如圖4和圖5所示，脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置提供脈沖載波輸入接口、脈沖調(diào) 制信號輸入接口和鑒相中頻輸出監(jiān)測接口。對被測源測試時還要提供一臺雙通道脈沖發(fā)生 器和一臺寬帶示波器。雙通道脈沖發(fā)生器輸出兩路同步的脈沖調(diào)制信號，一路接到被測源 對其進行脈沖調(diào)制，使施加脈沖調(diào)制后的被測源接到脈沖載波相位噪聲測量裝置的載波輸 入接口，另一路接到脈沖載波相位噪聲測量裝置的脈沖調(diào)制信號輸入接口，通過脈沖調(diào)制 器對參考源進行脈沖調(diào)制。雙通道脈沖發(fā)生器的同步輸出信號接到寬帶示波器上，作為觸 發(fā)信號，對鑒相輸出的中頻輸出信號進行同步監(jiān)測。通過寬帶示波器，就可以觀察到被測 源和參考源的脈沖調(diào)制載波信號是否同步，如果不同步，就可以調(diào)節(jié)雙通道脈沖信號發(fā)生 器兩路脈沖信號的相對延遲，使被測源和參考源的脈沖載波完全同步。同步后的被測源和 參考源鑒相后輸出中頻信號，經(jīng)過低通濾波器、PRF濾波器、環(huán)路濾波器等處理后對參考源 進行調(diào)節(jié)，最終使參考源與被測源正交鎖定。被測源和參考源正交鎖定后，經(jīng)低噪聲放大單 元、A/D采樣單元和分析運算單元后，即可得到被測源在脈沖調(diào)制狀態(tài)下的相位噪聲。
[0013] 兩路脈沖信號的相對延遲需要用寬帶示波器在鑒相輸出中頻端口進行觀察調(diào)節(jié)， 這種方案不但費時費力，而且要求被測源要具備接收外部脈沖調(diào)制信號的能力，同時要求 雙通道脈沖發(fā)生器具有同步輸出能力，并且可以調(diào)節(jié)兩路脈沖信號之間的相對延遲。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明提出了一種脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置及方法，采用諧波混頻、可調(diào) 帶寬帶通濾波及正交鎖相相結(jié)合的方式，克服了現(xiàn)有技術中參考源與被測源的脈沖調(diào)制正 交鎖相面臨的難題。
[0015] 本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：
[0016] 一種脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置，包括下變頻及正交鑒相運算單元，所述下 變頻及正交鑒相運算單元自輸入端至輸出端依次包括：下變頻單元、正交鑒相單元和采樣 運算單元；
[0017] 所述下變頻單元包括：本振、混頻器、可調(diào)帶通濾波器和一級低噪聲放大單元；被 測脈沖調(diào)制信號在混頻器與所述本振的基波或諧波進行混頻，得到固定頻率的脈沖調(diào)制中 頻信號，脈沖調(diào)制中頻信號傳送到可調(diào)帶通濾波器濾波，可調(diào)帶通濾波器中心頻率與中頻 信號的頻率相等，帶寬調(diào)整到與被測脈沖調(diào)制頻率相等，濾除脈沖調(diào)制中頻信號的邊帶信 號，提取出獨立的連續(xù)波中頻信號；一級低噪聲放大單元對所述連續(xù)波中頻信號進行低噪 聲放大后送到正交鑒相單元；
[0018] 所述正交鑒相單元包括鑒相器、低通濾波器、二級低噪聲放大單元、環(huán)路濾波器和 參考源；所述連續(xù)波中頻信號與參考源在鑒相器正交鑒相后提取出噪聲電壓，噪聲電壓經(jīng) 低通濾波器和二級低噪聲放大單元處理后，一路經(jīng)環(huán)路濾波器處理后反饋給參考源，組成 閉環(huán)正交鎖相環(huán)路，另一路送到采樣運算單元；
[0019] 所述采樣運算單元包括A/D采樣單元和分析運算單元，所述正交鑒相單元的輸出 信號經(jīng)A/D采樣單元和分析運算單元后得到相位噪聲測量結(jié)果。
[0020] 可選地，本發(fā)明的脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置，包括功分單元、兩個對稱的下 變頻及正交鑒相運算單元和互相關運算單元，每個下變頻及正交鑒相運算單元都包含完整 的下變頻單元、正交鑒相單元和采樣運算單元；
[0021] 被測源輸出的被測脈沖調(diào)制信號經(jīng)功分單元進行平衡功率分配后，分別送入兩個 對稱的下變頻及正交鑒相運算單元，兩個下變頻及正交鑒相運算單元對被測脈沖調(diào)制信號 進行下變頻及濾波處理、正交鑒相處理和采樣運算處理輸出兩組相位噪聲測量結(jié)果，所述 兩組相位噪聲測量結(jié)果傳輸?shù)交ハ嚓P運算單元進行互相關運算處理，得到被測信號的相位 噪聲。
[0022] 可選地，所述可調(diào)帶通濾波器由多級調(diào)諧濾波器級聯(lián)構(gòu)成，每一級調(diào)諧濾波器包 括晶體濾波器通道、LC濾波器通道、直通通道和多路開關。
[0023] 可選地，所述互相關運算單元接收到兩個下變頻及正交鑒相運算單元鑒相輸出的 電壓譜密度分別為：
[0024] S^f) = (1)
[0025] Sn(f) = S2(f)+SN2(f) (2)
[0026] 式中Si (f)、S2 (f)分別是兩個下變頻及正交鑒相運算單元鎖相環(huán)鑒相輸出的與被 測脈沖調(diào)制信號相位噪聲對應的噪聲譜密度；SN1(f)、S N2(f)分別是兩個獨立的下變頻及正 交鑒相運算單元內(nèi)部下變頻本振電路和元件引入的噪聲譜密度；
[0027] 經(jīng)過相關運算后，得到下式：
[0028]

【權利要求】
1. 一種脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置，其特征在于，包括下變頻及正交鑒相運算單 元，所述下變頻及正交鑒相運算單元自輸入端至輸出端依次包括：下變頻單元、正交鑒相單 元和采樣運算單元； 所述下變頻單元包括：本振、混頻器、可調(diào)帶通濾波器和一級低噪聲放大單元；被測脈 沖調(diào)制信號在混頻器與所述本振的基波或諧波進行混頻，得到固定頻率的脈沖調(diào)制中頻信 號，脈沖調(diào)制中頻信號傳送到可調(diào)帶通濾波器濾波，可調(diào)帶通濾波器中心頻率與中頻信號 的頻率相等，帶寬調(diào)整到與被測脈沖調(diào)制頻率相等，濾除脈沖調(diào)制中頻信號的邊帶信號，提 取出獨立的連續(xù)波中頻信號；一級低噪聲放大單元對所述連續(xù)波中頻信號進行低噪聲放大 后送到正交鑒相單元； 所述正交鑒相單元包括鑒相器、低通濾波器、二級低噪聲放大單元、環(huán)路濾波器和參考 源；所述連續(xù)波中頻信號與參考源在鑒相器正交鑒相后提取出噪聲電壓，噪聲電壓經(jīng)低通 濾波器和二級低噪聲放大單元處理后，一路經(jīng)環(huán)路濾波器處理后反饋給參考源，組成閉環(huán) 正交鎖相環(huán)路，另一路送到采樣運算單元； 所述采樣運算單元包括A/D采樣單元和分析運算單元，所述正交鑒相單元的輸出信號 經(jīng)A/D采樣單元和分析運算單元后得到相位噪聲測量結(jié)果。
2. 如權利要求1所述的脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置，其特征在于，包括功分單元、 兩個對稱的下變頻及正交鑒相運算單元和互相關運算單元，每個下變頻及正交鑒相運算單 元都包含完整的下變頻單元、正交鑒相單元和采樣運算單元； 被測脈沖調(diào)制信號經(jīng)功分單元進行平衡功率分配后，分別送入兩個對稱的下變頻及正 交鑒相運算單元，兩個下變頻及正交鑒相運算單元對被測脈沖調(diào)制信號進行下變頻及濾波 處理、正交鑒相處理和采樣運算處理輸出兩組相位噪聲測量結(jié)果，所述兩組相位噪聲測量 結(jié)果傳輸?shù)交ハ嚓P運算單元進行互相關運算處理，得到被測信號的相位噪聲。
3. 如權利要求1所述的脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置，其特征在于，所述可調(diào)帶通 濾波器由多級調(diào)諧濾波器級聯(lián)構(gòu)成，每一級調(diào)諧濾波器包括晶體濾波器通道、LC濾波器通 道、直通通道和多路開關。
4. 如權利要求2所述的脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量裝置，其特征在于，所述互相關運 算單元接收到兩個下變頻及正交鑒相運算單元鑒相輸出的電壓譜密度分別為 ： S^f) = (1) Sn(f) = S2(f)+SN2(f) (2) 式中Si (f)、S2(f)分別是兩個下變頻及正交鑒相運算單元鎖相環(huán)鑒相輸出的與被測脈 沖調(diào)制信號相位噪聲對應的噪聲譜密度；SN1(f)、SN2(f)分別是兩個獨立的下變頻及正交鑒 相運算單元內(nèi)部下變頻本振電路和元件引入的噪聲譜密度； 經(jīng)過相關運算后，得到下式：
所述兩個下變頻及正交鑒相運算單元對稱，故有Si (f) = S2 (f) = S (f), SN1 (f)、SN2 (f) 分別是兩個下變頻及正交鑒相運算單元隨機產(chǎn)生的疊加噪聲，不相關；同樣Si和Snli，Si和 也是互不相關的，經(jīng)過互相關運算消除兩個下變頻及正交鑒相運算單元隨機產(chǎn)生的疊 加噪聲。
5. -種脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量方法，其特征在于，通過下變頻及正交鑒相運算單 元對被測脈沖調(diào)制信號進行測量，包括以下步驟： 在輸入端設置下變頻本振電路，下變頻本振電路輸出基波或者諧波與被測源的被測脈 沖調(diào)制信號在混頻器混頻，得到固定頻率的脈沖調(diào)制中頻信號； 混頻后的信號傳送到可調(diào)帶通濾波器濾波，可調(diào)帶通濾波器中心頻率與中頻信號的頻 率相等，可調(diào)帶通濾波器的帶寬調(diào)整到與被測脈沖調(diào)制頻率相等，濾除中心頻率以外的所 有脈沖調(diào)制譜線，提取出獨立的連續(xù)波中頻信號； 一級低噪聲放大單元對所述連續(xù)波中頻信號進行低噪聲放大后送到正交鑒相器，與參 考源正交鎖相后提取出噪聲電壓； 所述噪聲電壓經(jīng)低通濾波器、二級低噪聲放大單元后，一路經(jīng)環(huán)路濾波器處理后反饋 給參考源，組成閉環(huán)鎖相環(huán)路，另一路經(jīng)A/D采樣單元和分析運算單元后得到相位噪聲測 量結(jié)果。
6. 如權利要求5所述的脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量方法，其特征在于，被測脈沖調(diào)制 信號經(jīng)功分單元進行平衡功率分配后，分別送入兩個對稱的下變頻及正交鑒相運算單元， 兩個下變頻及正交鑒相運算單元對被測脈沖調(diào)制信號進行下變頻及濾波處理、正交鑒相處 理和采樣運算處理輸出兩組相位噪聲測量結(jié)果，所述兩組相位噪聲測量結(jié)果傳輸?shù)交ハ嚓P 運算單元進行互相關運算處理，得到被測信號的相位噪聲。
7. 如權利要求6所述的脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量方法，其特征在于，所述互相關運 算模塊對兩路下變頻及正交鑒相運算單元輸出的電壓譜密度進行處理的步驟具體為：兩路 下變頻及正交鑒相運算單元鑒相輸出的電壓譜密度分別為： S^f) = (1) Sn(f) = S2(f)+SN2(f) (2) 式中Si (f)、S2(f)分別是兩個下變頻及正交鑒相運算單元鎖相環(huán)鑒相輸出的與被測脈 沖調(diào)制信號相位噪聲對應的噪聲譜密度；SN1(f)、SN2(f)分別是兩獨立的下變頻及正交鑒相 運算單元內(nèi)部下變頻本振電路和元件引入的噪聲譜密度； 經(jīng)過相關運算后，得到下式：
兩個下變頻及正交鑒相運算單元對稱，故有sjf) = S2(f) = S(f)，SN1(f)、SN2(f)分別 是兩個下變頻及正交鑒相運算單元隨機產(chǎn)生的疊加噪聲，不相關；同樣Si和Snli，Si和sn2i也 是互不相關的；運算次數(shù)足夠多，第2、3、4項趨于零，得到被測脈沖調(diào)制信號的相位噪聲。
8. 如權利要求5所述的脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量方法，其特征在于，所述混頻后 的信號傳送到可調(diào)帶通濾波器濾波的步驟中，N級可調(diào)帶通濾波器帶寬級聯(lián)計算公式為 BW3(1B=BWnΧλ/21/ν-1，其中，BW3dB :級聯(lián)后濾波器帶寬；BWN :每一級濾波器帶寬。
【文檔編號】G01R29/26GK104122457SQ201410351243
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權日:2014年7月15日
【發(fā)明者】杜念文, 白軼榮, 劉寶東, 李偉, 丁建崠 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所