串聯(lián)分配對(duì)頻率標(biāo)準(zhǔn)源相位噪聲的影響

程 明,姜建飛,2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所,浙江 嘉興 314033;2.通信信息控制和安全技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 嘉興 314033)

頻率標(biāo)準(zhǔn)源,簡(jiǎn)稱頻標(biāo)源(Frequency Standard),可以用作電子戰(zhàn)系統(tǒng)統(tǒng)一的時(shí)間和頻率基準(zhǔn),使系統(tǒng)所獲取、記錄的數(shù)據(jù)和時(shí)間具有嚴(yán)格統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),是電子戰(zhàn)系統(tǒng)必不可少的設(shè)備,在系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用[1]。表征頻標(biāo)源性能的主要指標(biāo)有:頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度、頻率漂移、雜散抑制、信號(hào)功率、相位噪聲等[2-3]。因原子鐘具有極高的精度和長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度,因此電子戰(zhàn)系統(tǒng)中一般使用高性能的原子鐘作為頻標(biāo)源,常用原子鐘有銫原子鐘、銣原子鐘、氫原子鐘等,常用頻率為5 MHz或者10 MHz,其頻率精度≤±5×10-11,長(zhǎng)期穩(wěn)定度≤1×10-9/年,但原子鐘的相位噪聲一般較差,隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)在可以采用鎖相恒溫晶振鎖定原子鐘的方式,得到高穩(wěn)定度、超低相噪的頻標(biāo)源信號(hào)[4-6]。頻標(biāo)源是系統(tǒng)統(tǒng)一的時(shí)鐘和頻率基準(zhǔn),每一臺(tái)單機(jī)都需要該基準(zhǔn)源,因此常用串聯(lián)分配的方式對(duì)頻標(biāo)源進(jìn)行分配,分別用作各分系統(tǒng)、單機(jī)的頻標(biāo)源。這種串聯(lián)分配頻標(biāo)源的方式,因具有可拓展性強(qiáng)、靈活度高、省掉一個(gè)專用頻標(biāo)功分模塊等優(yōu)點(diǎn),常常被設(shè)計(jì)師采用。但是各單機(jī)在接入系統(tǒng)分配的頻標(biāo)源后,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)單機(jī)相噪性能下降的情況,由于對(duì)其原理并不是很清楚,經(jīng)常出現(xiàn)臨時(shí)應(yīng)付,處理不到位的情況,因此研究串聯(lián)分配對(duì)頻率源相位噪聲的影響,弄清其原理,具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 信號(hào)功率與噪聲系數(shù)對(duì)相位噪聲的影響

1.1 信號(hào)功率

頻率標(biāo)準(zhǔn)源信號(hào)一般為連續(xù)時(shí)間信號(hào),并且是周期信號(hào),周期性連續(xù)時(shí)間信號(hào)f t()的功率P定義為:

式中:T為周期;t為時(shí)間。

在射頻領(lǐng)域常用dBm表示功率的絕對(duì)值,其計(jì)算公式為:

式中:P為信號(hào)功率;常用1W=30dBm。

1.2 噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)NF定義為:

式中:SIN/NIN為輸入信噪比;SOUT/NOUT為輸出信噪比。噪聲系數(shù)單位為dB。

1.3 相位噪聲

相位噪聲是指各種隨機(jī)噪聲所引起的瞬時(shí)頻率或相位起伏。由于相位噪聲的存在,在頻域中表現(xiàn)為噪聲邊帶連續(xù)分布在載波頻率的上下邊帶,在研究問(wèn)題時(shí)只需要考慮一個(gè)邊帶即可,稱為單邊帶相位噪聲,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局把它定義為偏離載波fm,在1Hz帶寬內(nèi)相位調(diào)制邊帶的功率PSSB與總信號(hào)功率PS之比[7]:

相位噪聲的單位為:dBc/Hz。

1.4 三者之間的關(guān)系

下面以放大器為例說(shuō)明三者之間的關(guān)系,可將功分器、衰減器看做增益為負(fù)即可。

放大器輸出端信號(hào)和噪聲有效電壓分別為:

式中:G為放大器增益,單位為dB;PS為輸入信號(hào)功率,單位為dBm;k為玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度,單位為K;B為帶寬,單位為Hz;有效值噪聲電壓產(chǎn)生相位調(diào)制,其相角為Δ?rms時(shí),在小角度調(diào)制下有:

相位抖動(dòng)譜密度:

根據(jù)相位調(diào)制理論和公式(5),可由貝塞爾函數(shù)導(dǎo)出相位噪聲與相位抖動(dòng)譜密度的關(guān)系[8-9]:

把上式用對(duì)數(shù)表示:

由上式可知,頻標(biāo)源的相位噪聲主要與兩個(gè)因素相關(guān):

1)分配鏈路的噪聲系數(shù)NF。這里的噪聲系數(shù)是指整個(gè)鏈路的總噪聲系數(shù),在串聯(lián)分配鏈路中,由于要將信號(hào)分成多路并且需要多級(jí),因此整個(gè)鏈路的噪聲系數(shù)是非常大的,總噪聲系數(shù)大于30 dB也不少見(jiàn)。

2)信號(hào)功率PS。這里與每一級(jí)的信號(hào)功率息息相關(guān),如果其中某一級(jí)的信號(hào)功率太小(比如信號(hào)功率小于-20 dBm),基底噪聲將差于頻標(biāo)源相噪,即使后面再把頻標(biāo)源的信號(hào)功率進(jìn)行放大,該頻標(biāo)源的相噪也會(huì)惡化。

2 串聯(lián)分配的性能分析和仿真

因?yàn)轭l標(biāo)源是大系統(tǒng)統(tǒng)一的頻率和時(shí)間基準(zhǔn)源,所有的分系統(tǒng)和單機(jī)都要用到,因此需要將頻標(biāo)源進(jìn)行多次分路和傳輸,再通過(guò)電纜接入各個(gè)分系統(tǒng)和單機(jī)。串聯(lián)分配方式因具有靈活方便、節(jié)省體積等優(yōu)點(diǎn),是一種常用的頻標(biāo)源分配方式,多用于單機(jī)內(nèi)部,常見(jiàn)方案如圖1所示。

圖1 串聯(lián)分配鏈路示意圖Fig.1 Series distribution link diagram

由于電子戰(zhàn)系統(tǒng)非常復(fù)雜,因此單機(jī)數(shù)M可暫時(shí)按照M≥10考慮。單機(jī)內(nèi)部下變頻模塊規(guī)模也十分多,模塊數(shù)量常常超過(guò)12個(gè),因此上圖中單機(jī)下變頻模塊的數(shù)量N≥12。

在仿真和分析之前,首先假定已知如下參數(shù):

1)單機(jī)數(shù)M=10,模塊數(shù)N=12;功分器按照10路功分計(jì)算,插損為11 dB;單機(jī)模塊間連接電纜損耗按照2 dB估算;

2)原子鐘輸出10 MHz,經(jīng)過(guò)鎖相恒溫晶振后鎖定,輸出超低相噪的 100 MHz信號(hào),幅度為+14 dBm,相噪為≤-157 dBc/Hz@10 kHz;

3)放大器噪聲系數(shù)NF=3dB,增益G=13 dB;

4)假定標(biāo)頻輸入與輸出幅度相等都為0 dBm。下變頻模塊內(nèi)部的功分器按照4功分考慮,功分器插損約為7 dB。為了調(diào)節(jié)模塊對(duì)外輸出的標(biāo)頻幅度,一般需加一衰減器進(jìn)行調(diào)節(jié),假定該衰減器衰減量為4 dB。

可對(duì)該串聯(lián)分配鏈路的噪聲系數(shù)和功率進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如下圖2～4所示[10]:

由仿真圖可知,串聯(lián)分配鏈路總NF=27.5 dB,最終頻標(biāo)輸出功率為0 dBm。將以上參數(shù)代入公式(11)可得第12個(gè)模塊的輸入標(biāo)頻相噪為:

而標(biāo)頻源單機(jī)的輸出相噪為-157 dBc/Hz@10 kHz,當(dāng)頻標(biāo)源串聯(lián)分配到第12個(gè)模塊時(shí),相噪下降了約15 dB,有比較大的惡化,這將對(duì)下變頻模塊的本振相噪有非常大的影響[11]。

圖2 模塊內(nèi)部1級(jí)標(biāo)頻分配仿真圖Fig.2 One level standard frequency distribution simulation diagram in the module

圖3 5級(jí)下變頻模塊串聯(lián)分配標(biāo)頻仿真圖Fig.3 Five level down conversion module series distribution simulation diagram

圖4 串聯(lián)分配標(biāo)頻總仿真圖Fig.4 General simulation diagram of series distribution standard frequency

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與改進(jìn)措施

課題組在某機(jī)載型號(hào)項(xiàng)目上進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)條件如下:

1)常溫條件下測(cè)試;

2)單機(jī)數(shù)M=12,單機(jī)內(nèi)部下變頻模塊數(shù)N=12,即單機(jī)內(nèi)部頻標(biāo)源串聯(lián)分配了12次;

3)單機(jī)間連接電纜約1.5 m;

4)頻率標(biāo)準(zhǔn)源為100 MHz,幅度約為15 dBm,相噪為≤-155 dBc/Hz@10 kHz;

5)下變頻模塊的頻標(biāo)源輸入輸出幅度為0～5 dBm。

6)使用信號(hào)源分析儀E5052A測(cè)試相位噪聲;測(cè)試結(jié)果如圖5所示,測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。

圖5 第12級(jí)相噪測(cè)試結(jié)果圖Fig.5 Twelfth stage phase noise test result

表1 串聯(lián)分配相噪測(cè)試表Tab.1 Series distribution phase noise test table

由測(cè)試可知,當(dāng)串聯(lián)5級(jí)和12級(jí)時(shí),相噪有了比較大的惡化,此時(shí)標(biāo)頻源的相噪不再滿足使用要求。

由以上分析和實(shí)驗(yàn)可知,標(biāo)頻分配電路的噪聲系數(shù)和信號(hào)功率對(duì)相位噪聲有直接的影響,當(dāng)需要對(duì)標(biāo)頻源進(jìn)行多路分配時(shí),串聯(lián)分配方式往往不滿足系統(tǒng)需要,此時(shí)不妨采用并聯(lián)分配方式;但并聯(lián)分配方式需要單獨(dú)的標(biāo)頻分配模塊,因此增加了成本和體積,這需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段應(yīng)該加以考慮。并聯(lián)分配方式的原理圖和仿真圖如圖6～7所示。

圖6 并聯(lián)分配標(biāo)頻方案圖Fig.6 Parallel distribution standard frequency scheme

圖7 并聯(lián)分配仿真圖Fig.7 Parallel distribution simulation

由并聯(lián)分配仿真圖可知,并聯(lián)分配鏈路總NF=19.48 dB,每一級(jí)功率都大于0 dBm。將以上參數(shù)帶入公式(11)可得下變頻模塊輸入標(biāo)頻相噪為

并聯(lián)分配后標(biāo)頻相噪相對(duì)頻標(biāo)源有3 dB的下降,但基本也可以滿足下變頻模塊的需要。

4 總結(jié)

在實(shí)際工程應(yīng)用中,串聯(lián)分配是系統(tǒng)中比較常見(jiàn)的頻標(biāo)源分配方式,但這種串聯(lián)分配方式有其局限性,往往導(dǎo)致頻標(biāo)源的相噪產(chǎn)生比較大的惡化。本文闡述了串聯(lián)分配的基本原理,對(duì)串聯(lián)分配的噪聲系數(shù)和信號(hào)功率進(jìn)行了仿真,分析了末級(jí)相噪的惡化情況。課題組在某機(jī)載項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和測(cè)試,頻標(biāo)源的初始相位噪聲為-155 dBc/Hz@10 kHz,經(jīng)過(guò)串聯(lián)分配后的末級(jí)相噪僅有-139.36 dBc/Hz@10 kHz,末級(jí)相噪惡化了15 dB以上,嚴(yán)重影響了下變頻模塊的相噪性能,降低了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍和解調(diào)性能[12-13]。為了解決該問(wèn)題,課題組提出了一種并聯(lián)分配方式,經(jīng)過(guò)分析和論證,該并聯(lián)分配的相噪約為-151 dBc/Hz@10 kHz,基本可以滿足系統(tǒng)使用需要,對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義[14-15]。

通過(guò)理論分析、仿真和實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證,可得出結(jié)論如下:

1)串聯(lián)分配鏈路的噪聲系數(shù)NF和信號(hào)功率PS對(duì)頻率標(biāo)準(zhǔn)源的相位噪聲ζ(f)有重要影響;

2)當(dāng)串聯(lián)級(jí)數(shù)較多時(shí),頻率標(biāo)準(zhǔn)源的相噪會(huì)有較大惡化,不能滿足使用要求。此時(shí)建議使用并聯(lián)分配方式。