一種新型相位噪聲測量方法

程 騰，屈八一，俞東松，薛范鑫

（長安大學 信息工程學院 電子信息工程系，陜西 西安 710064）

0 引 言

低相位噪聲的頻率源是很多高級電子設(shè)備系統(tǒng)中的核心。一直以來，如何降低相位噪聲是電子系統(tǒng)的一個熱點話題。近年來，相噪測量技術(shù)主要從兩方面發(fā)展：一是改進線路，二是優(yōu)化算法。這些相噪測量系統(tǒng)都具有一定缺點，且測量設(shè)備龐大、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，還需要待測源與參考源同頻，同時自身復(fù)雜電路引起的噪聲也會對相噪測量精度帶來影響。本文提出一種數(shù)字化的異頻信號相位噪聲測量方法，突破了傳統(tǒng)相位處理方法中同頻鑒相的理論。新型的相位噪聲測量技術(shù)不需要借助高精度頻率合成器，只需一個參考源，便可完成任意不同頻率信號的相噪測量。和傳統(tǒng)的相噪測量方法相比，該方法不僅降低了測量的復(fù)雜性和儀器成本，而且測量精度更高、范圍更寬，有助于相位噪測量和處理[1]。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 異頻信號相位差處理原理

對于存在正整數(shù)A、B（互為素數(shù)）的兩個頻率信號f1和f2，使得f1=Af0，f2=Bf0則f0是f1、f2的最大公因子頻率fmaxc。其中，任一個信號周期的一定倍數(shù)就是fmaxc對應(yīng)的最小公倍數(shù)周期Tminc。那么，f1和f2經(jīng)過量化后的相位差為：

通過異頻群相位量子化理論分析可知[2]，在一個Tminc內(nèi)，兩個信號間的量化相位差等于初始相位差加上nΔT(n∈N)。一般在相位重合檢測時，理想的相位重合點是相位差為零的位置，而實際初始相位差并不一定等于nΔT(n∈N)，那么在理論上就不能檢測出理想的相位重合點。實際應(yīng)用中，由于受檢相分辨率的限制，使得電路檢測出的相位重合點不止一個，而是緊挨的一系列脈沖簇[3]。

不同噪聲會導致相位重合脈沖簇中脈沖計數(shù)結(jié)果不同。由于自身噪聲引起其相位偏移，會使一些重合脈沖因相位差超過線路的檢相分辨率而被丟失[4]。丟失的重合脈沖信號從起點每向后延伸一個最小公倍數(shù)周期，就會以ΔT變化幅度的相位差接近，依此來分析相位噪聲的指標。

1.2 算法設(shè)計

經(jīng)過相位重合點檢測和無間隙門時測量，可以得到閘門計數(shù)值的變化及脈沖簇中脈沖丟失的位置，從計數(shù)值的變化及丟失位置中提取出相位起伏信息，通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換成單邊帶相位噪聲。在此，采用離散傅立葉變化算法（Discrete Fourier Transform，DFT）[5]。

N點有限長序列x(n)的離散傅里變換為：

將N個序列x(n)按n分為奇偶兩部分，則可將DFT變化為：

由此采用快速傅氏變換（FFT）只需求出X1(k)和X2(k)在區(qū)間[0，N/2-1]的所有值，就可求出X(k)在[0，N-1]內(nèi)的所有值，大大節(jié)省了計算時間。

在實際的FFT變換中，頻域部分的實部和虛部是分開表示的。取FFT變換結(jié)果的模，即可得到頻域的幅度，再將幅度轉(zhuǎn)化為功率分貝形式，就能求得單邊帶相位噪聲的功率譜密度。

2 相位噪聲測量的總體方案

如圖1所示，整個相噪測量過程先通過頻率變換電路處理待測信號，手動或通過DDS調(diào)整參考信號頻率，使其與待測信號之間的頻差達到要求。然后，把待測信號和參考信號整形放大，再根據(jù)實際情況判斷是否分頻。之后，將兩個信號提供給相位重合檢測電路進行檢測，對檢測出重合點的頻率通過閘門測量，記錄重合脈沖的個數(shù)和脈沖丟失位置信息，并將所得數(shù)據(jù)傳輸給上位機，由此便可仿真出信號的單邊帶相位噪聲圖形曲線。最后，分析這些相位重合簇的包絡(luò)情況，獲得遠載頻處的相位噪聲?？梢?，此方法將邊沿效應(yīng)的基本理論應(yīng)用到了具有高分辨率的相位重合檢測技術(shù)中[6-8]。

圖1 相位噪聲測量總體方案

3 實驗系統(tǒng)的測試結(jié)果

采用自校測量的方法對系統(tǒng)的相位噪聲進行測試，結(jié)果如表1所示。可見，該系統(tǒng)的噪聲本底很低，基本可以滿足目前超高穩(wěn)晶體振蕩器及原子鐘等低噪聲頻率源的相位噪聲測試需求。同時，采用對比測量的方法對系統(tǒng)的測量準確度進行檢測，結(jié)果如表2所示?？梢?，研制的系統(tǒng)的測量精度可達±2 dB。

4 結(jié) 論

采用異頻信號的相位處理，通過記錄相位重合簇內(nèi)脈沖變化規(guī)律和包絡(luò)狀況，再結(jié)合離散傅立葉變化算法進行重合點的相位處理，在微控制器下可反映被測信號的相位噪聲。以此理論為基礎(chǔ)的相噪測量系統(tǒng)，不需要借助高精度頻率合成器，只需一個參考源便可完成任意不同頻率信號的相噪測量，且與傳統(tǒng)相位噪聲測量方法相比，降低了測量復(fù)雜性和設(shè)備成本，且參考源的相位噪聲低、頻率穩(wěn)定度高、測量精度高、范圍寬。

表1 相位噪聲測試結(jié)果

表2 準確度檢測結(jié)果