射頻信號(hào)相位噪聲測(cè)量不確定度分析

在雷達(dá)信號(hào)測(cè)量中，對(duì)連續(xù)波信號(hào)我們一般用掃頻式頻譜分析儀對(duì)信號(hào)頻率、功率、諧波分量及相位噪聲進(jìn)行表征。本文著重研究了在利用掃頻式頻譜儀測(cè)量信號(hào)相位噪聲時(shí)，信號(hào)諧波分量與相位噪聲測(cè)量不確定度之間的關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)著重驗(yàn)證了三次諧波分量將惡化待測(cè)基頻信號(hào)相位噪聲的測(cè)試精度。

【關(guān)鍵詞】相位噪聲 諧波分量 頻譜分析儀 不確定度

1 引言

在現(xiàn)代頻率源指標(biāo)測(cè)試中，我們常常利用頻譜儀測(cè)試頻率源的功率、諧波、雜散、相位噪聲等相關(guān)指標(biāo)。通常我們都認(rèn)為這些指標(biāo)都是獨(dú)立的，并沒(méi)有相關(guān)性。但我們使用的測(cè)試系統(tǒng)通常是掃描式頻譜分析儀（SA），忽略了儀表中混頻器非線性特性對(duì)測(cè)試結(jié)果可能造成的影響。本篇文章將重點(diǎn)分析信號(hào)諧波分量對(duì)相位噪聲測(cè)量的影響，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。

2 原理分析

2.1 頻譜儀結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入衰減器和預(yù)選濾波器后，在混頻器中，與本地振蕩器的本振信號(hào)作中頻變換，變換后產(chǎn)生一個(gè)固定的中頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)中頻增益器放大、輸入到分辨率帶寬濾波器該濾波器決定了分辨率帶寬RBW，中頻信號(hào)在對(duì)數(shù)放大器中進(jìn)行壓縮，然后通過(guò)包絡(luò)檢波器進(jìn)行包絡(luò)檢波，所得信號(hào)稱為視頻信號(hào)。再經(jīng)視頻濾波器來(lái)平均化，從而不受噪聲影響并且可平滑顯示（視頻濾波器決定了視頻帶寬VBW）。濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在屏幕上繪出坐標(biāo)圖，就得出輸入信號(hào)的頻譜圖。

考慮到在頻譜儀中使用了混頻器器件，待測(cè)信號(hào)的諧波也會(huì)與混頻器混頻產(chǎn)生低頻分量。這些低頻分量是否會(huì)影響真實(shí)信號(hào)指標(biāo)的測(cè)量，我們需要通過(guò)對(duì)混頻器的交調(diào)特性進(jìn)行分析。

2.2 混頻器交調(diào)特性分析

對(duì)于任何非線性器件，其輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的關(guān)系為：

U0=k0+k1Ui+k2U2i+k3U3i+k4U4i+…… （1）

其中，Ui為輸入信號(hào)幅度；U0為輸出信號(hào)幅度；k0、k1、k2、k3、k4為常數(shù)。

對(duì)于混頻器的輸入信號(hào)，一般都具有諧波分量，為方便計(jì)算，我們假設(shè)其只具有一個(gè)諧波分量，這樣我們可以按輸入雙音信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算。

設(shè)混頻器的輸入信號(hào)為：

Ui=A1cosωR1t+A2cosωR2t+BcosωLt

其中，A1和A2為輸入信號(hào)幅度，B為本振信號(hào)幅度；ωR1和ωR2為輸入信號(hào)角頻率，ωL為本振信號(hào)角頻率。

假設(shè)ωR1是待測(cè)信號(hào)的輸入頻率，ωR2是待測(cè)信號(hào)的諧波分量，即ωR2=NωR1。

由此可知，當(dāng)輸入信號(hào)存在諧波信號(hào)時(shí)，通過(guò)混頻器后，一些四階交調(diào)分量可能會(huì)演變成所需中頻信號(hào)的二階分量。

實(shí)際使用中，我們一般采用雙平衡混頻器、鏡像抑制混頻器等，這類混頻器在所有三個(gè)端口之間提供良好的隔離度，并對(duì)所有RF和LO信號(hào)的偶次諧波頻率進(jìn)行抑制，所以主要是信號(hào)的奇次諧波產(chǎn)生的組合頻率會(huì)演變成所需的中頻信號(hào)。

2.3 相位噪聲分析

通過(guò)2.2節(jié)分析得知，當(dāng)待測(cè)信號(hào)存在諧波分量時(shí)，尤其是奇次諧波分量，待測(cè)信號(hào)通過(guò)頻譜分析儀中混頻器后會(huì)在真實(shí)的中頻信號(hào)上疊加一個(gè)虛假分量。

假設(shè)待測(cè)信號(hào)存在三次諧波，P1和P3為基波和三次諧波的功率值，n1，f0和n3，f0分別為基波和三次諧波在偏離f0處的相位噪聲值，通過(guò)混頻器后，中頻疊加了三次諧波分量的頻譜信息（k1、k3分別為基波和三次諧波的變頻系數(shù)），如圖2所示。因此，中頻的相位噪聲值就由基波及三次諧波的相位噪聲矢量疊加而成，其幅度值取決于諧波與基波的相位關(guān)系。因此，基波相位噪聲測(cè)試結(jié)果的不確定性就來(lái)自諧波分量與基波相位的相對(duì)關(guān)系。

3 試驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證以上分析的正確性，我們擬通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證上述結(jié)論。

在這個(gè)試驗(yàn)中，我們擬人為產(chǎn)生待測(cè)頻率的諧波分量，通過(guò)改變諧波分量的相位，觀測(cè)待測(cè)基波分量的相位噪聲變化趨勢(shì)。

我們采用晶體振蕩器倍頻產(chǎn)生的待測(cè)頻點(diǎn)800MHz，諧波功率≤-60dBc，利用安捷倫公司的E5052A相位噪聲測(cè)試儀測(cè)得其相位噪聲值見(jiàn)表2。

利用倍頻器產(chǎn)生800MHz的三次諧波2400MHz，將2400MHz信號(hào)通過(guò)可變的同軸衰減器和一個(gè)同軸移相器（NARDA公司的3752），最后與800MHz通過(guò)合成器輸入相位噪聲測(cè)試儀。2400MHz信號(hào)和800MHz是產(chǎn)生自同一晶體振蕩器，因此兩者相位關(guān)系應(yīng)該是相干的，通過(guò)移相器改變2400MHz信號(hào)的相位（0o～180o）來(lái)模擬不同相位的三次諧波，具體聯(lián)試方案見(jiàn)圖3。

通過(guò)調(diào)整同軸衰減器，使三次諧波分量相對(duì)于基波功率值分別為-4dBc、-7dBc、-10dBc、-13dBc、-16dBc，然后通過(guò)改變3752移相器的相位值，我們測(cè)得五組三次諧波功率下，基波頻率的相位噪聲測(cè)量值。

由圖4-a和圖4-b可知，偏離載頻100Hz和1kHz處的相位噪聲波動(dòng)值在±1dB和±1.5dB間波動(dòng)，基本上屬于儀表測(cè)量時(shí)的積累的誤差，故三次諧波的相對(duì)功率大小對(duì)測(cè)量頻偏100Hz和1kHz處的相位噪聲結(jié)果影響不大。

由圖4-c可知，偏離載頻10kHz處的相位噪聲波動(dòng)值隨著三次諧波功率減小而減小，最大時(shí)波動(dòng)值為±8dB，最小波動(dòng)值為±1.5dB。

由圖4-d可知，偏離載頻100kHz處的相位噪聲波動(dòng)值隨著三次諧波功率減小而減小，最大時(shí)波動(dòng)值為±6dB，最小波動(dòng)值為±1dB。

由圖4-e可知，偏離載頻1MHz處的相位噪聲波動(dòng)值隨著三次諧波功率減小而減小，最大時(shí)波動(dòng)值為±5dB，最小波動(dòng)值為±1dB。

因此，根據(jù)表3數(shù)據(jù)，三次諧波的功率大小直接影響了基波頻率相位噪聲測(cè)量的精度，主要影響頻10kHz以上的遠(yuǎn)端頻偏處的相位噪聲測(cè)試精度，對(duì)近端1kHz以內(nèi)的相位噪聲測(cè)試影響不大。

之后按照?qǐng)D3的的測(cè)試方案，我們又驗(yàn)證了二次、四次及五次諧波分量對(duì)基波相位噪聲測(cè)試精度的影響。根據(jù)之前的分析，由于雙平衡混頻器對(duì)偶次諧波分量的抑制作用，二次諧波分量對(duì)基波相位噪聲測(cè)試精度影響值最大約±2dB；而四、五次諧波由于的變頻插損較基波和三次諧波的變頻插損要大許多，故實(shí)測(cè)四、五次諧波分量對(duì)基波相位噪聲測(cè)試精度沒(méi)有明顯的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析掃頻式頻譜儀的工作原理及對(duì)混頻器雙音信號(hào)的交調(diào)特性分析，指出了掃頻式頻譜儀在測(cè)量帶有諧波信號(hào)的待測(cè)信號(hào)時(shí)，相位噪聲值的測(cè)量具有不確定性。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)證明了諧波分量（特別是三次諧波分量）通過(guò)混頻器后會(huì)疊加到基波頻率，從而惡化了基波頻率相位噪聲測(cè)試的精度值。

由此也說(shuō)明了如果通過(guò)混頻方案測(cè)試倍頻器或分頻器的相位噪聲，倍頻器或分頻器產(chǎn)生的諧波或子諧波也將會(huì)嚴(yán)重影響相位噪聲測(cè)試的精度。

根據(jù)以上分析，我們得出了在利用掃頻式頻譜儀測(cè)量相位噪聲值的時(shí)候，要注意保證待測(cè)信號(hào)的單音輸入，諧波分量（尤其是三次諧波分量）會(huì)影響待測(cè)信號(hào)的相位噪聲測(cè)試準(zhǔn)確度。通過(guò)濾波器將諧波分量控制在-20dBc以下，待測(cè)信號(hào)相位噪聲的測(cè)試精度將大大提高和穩(wěn)定。

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作者簡(jiǎn)介

郁金華（1984-），男，江蘇省南通市人。碩士研究生。南京電子技術(shù)研究所工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)接收機(jī)技術(shù)。

作者單位

南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210039