测量与设备
相位噪声测试结果的分析与应用
沈世科
(中国西南电子技术研究所, 成都610036)
摘 要 本文简单介绍了相位噪声测量的各种方法, 介绍, 关键词 相位噪声; 阿论方差; 时间抖动
0 引言
在航天测控、, 随着对系统测量灵敏度、传输误码率等技术指标要求的不断提高, 相应对系统中用到的各种频率源的相位噪声提出了越来越高的要求。相位噪声测量方法较多, 如何正确的选用测量方法进行相位噪声测试, 并正确分析相位噪声测量结果, 显得优为重要。如何由相位噪声推算相应的时域频率稳定度和相位抖动, 也是工程技术人员面临的需要解决的问题。
、灵敏度高、分析频率范围宽、测量准确度最高的一种测量方法。它用相位检波器把信号的相位起伏变换为电压起伏, 由频谱仪测量相位起伏谱密度, 再由相位起伏谱密度在小角度条件下, 计算得到单边带相位噪声。由于采用了正交检相技术, 对调幅噪声有较大的抑制。不仅能测频率源的相位噪声, 也可测晶振的相位噪声和两端口频率器件的附加相位噪声等。该方法测量比较复杂, 要求要有一个能够进行频率调整的低相噪参考源, 参考源的相位噪声决定了系统的测试能力。目前, 市面上用得较多的相位噪声测试系统, 如HP3048、Agilent E5500系列、Aeroflex PN9000系列, 均采用了该测量方法。
1 相位噪声测量方法
相位噪声作为频率频域稳定度的表征量, 其表达方式一般有相位起伏谱密度, 频率起伏谱密度, 相对频率起伏谱密度和单边带相位噪声。而最常用到的就是单边带相位噪声, 其基本定义是偏离载波频率f 处,1Hz 带宽内的噪声功率与载波总功率之比。其常用的测量方法有, 直接频谱仪测量法, 相位检波器法、鉴频器法、差拍计数器法和交叉相关测量法。
直接频谱仪测量法是一种简便、有效并在工程测试中经常用到的测量方法。特别是现在高档的频谱仪一般都具有直接测量单边带相位噪声的功能, 一个按键即可解决问题。但是由于受频谱仪自身的噪声底、动态范围、滤波器的波形因素等的限制, 其测量范围是受限的, 一般用于测量相位噪声指标不是很高的频率源的相位噪声, 在偏离载波1kHz 以上的情况下, 其测量结果的可信度比较高,1kHz 以内可信度较差。该方法一般不能用来测晶振的相位噪声, 而且测量结果中不内分离调幅噪声和相位噪声。
・ ・36
鉴频器法用鉴频器将被测源的频率起伏变换为电压起伏, 由频谱仪测量频率起伏谱密度, 再由频率
起伏谱密度换算成相位起伏谱密度, 再由相位起伏谱密度在小角度条件下, 计算得到单边带相位噪声。相对于相位检波器法, 它不需要参考源, 但近载频灵敏度较低, 适用于频率稳定度较差的频率源和VCO 等的测试。
差拍计数器法是一种时域分析法, 适用于测量精密频率源的近载频相位噪声, 在很靠近载频处, 其灵敏度是最高的。它采用时域测量阿仑方差的方法, 通过时频域转换得到相位噪声, 一般应用较少。
互相关技术是Agilent 公司近几年推出的新颖的相噪测试技术, 采用其独一无二的内部两个独立测量通道间的互相关联技术, 显著抵消了参考源的噪声, 使仪器自身的噪声底超乎寻常的底, 吸纳了相位检波器法的优点, 又克服了参考源的相位噪声限制系统测试能力的缺点, 应该是未来的发展方向。
测量与设备
其推出的E5052A 信号分析仪就采用了该方法进行相位噪声测试, 具有较高的测试灵敏度, 表1分别给出10MHz 和1GHz 载频, 相关次数为1时的系统噪表1
载频(MHz )
1
101000
-7410-3410
10-11410-7410
100-14415-11515
1k -15215-13215
声底。增加相关次数时, 其噪声底还会优化, 其关系见表2。
10M H z 和1GH z 载频时系统噪声底
偏置频率(Hz )
10k -1601
5-14115
100k -1701514815
1M -17215-10M /
单位:dBc/Hz
40M /-17415
-17410
表2相关点数与噪声底优化关系
10100, 在做相, 也应该采取一些措施, 减小电源杂散和外界干扰的影响, 以尽可能的反映被测件的真实情况。
相关点数噪声底优化量
2 相位噪声测试结果分析
正确的分析相位噪声测试结果, 可以从中获得
很多有用的信息, 有助于提高产品的优化设计, 以下就最常用的相位检波器法测试结果中常遇到的分析处理方法进行介绍。
211 单边带相位噪声测试结果的有效性
在相位检波器法中, 单边带相位噪声的测试结果是由测相位起伏谱密度计算而来的, 只有在满足小角度调制条件下, 即相位调制指数远远小于1时, 单边带相位噪声与相位起伏谱密度才满足关系式
(1) 。
￡(f ) =
S (f ) 2φ
(1)
图1 1GHz 频率源输出的相位噪声测试结果
由于相位噪声测试系统测试灵敏度较高, 一般在测试时, 应在屏蔽室中进行, 以屏蔽外界信号的干扰, 系统也应良好的单独接地, 以减小通过接地线引入的串扰。
产品的供电直流电源, 一般选用设计性能好、纹波系数小、带载能力强的线性电源, 不采用开关电源, 因为开关电源中有变频成份, 对测试结果影响较大。图2和图3分别是采用线性电源和开关电源时的测试结果, 从测试结果可以看到, 开关电源供电时, 杂散比线性电源供电时多得多, 特别是在100Hz ～10kHz 偏置范围以内, 由于杂散的牵引效应, 测试结果已不可信。213 测试结果的修正
在单边带相位噪声测试结果中, 小角度调制线是在1Hz 偏置频率处为-30dBc/Hz , 斜率为-10dB/10倍频程的一条直线, 只有测试结果处于该
直线之下时, 单边带相位噪声测试结果才有意义, 否则只能用相位起伏谱密度表示。图1是某1GHz 频率源输出的单边带相位噪声测试结果,10Hz 偏置频率以下, 单边带相位噪声测试结果是无效的,10Hz 偏置频率以上, 测试结果才是有效的。212 电源杂散与外界干扰的影响
电源杂散的处理一直是设计者感到困难的问题, 处理不好, 会在相位噪声测试结果图上看到很多的杂散信号, 严重时, 会出现测试曲线不连续等现象, 不能测量出真实的相位噪声。除产品设计者在
在相位噪声测试中, 要求参考源的相位噪声应优于被测源的相位噪声10dB , 此时, 在测试结果中参考源的贡献才可忽略不计, 否则需对测试结果进
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测量与设备
τ为取样时间,s ;
f 为偏置频率,Hz ; f 0为载波频率,Hz ;
S φ(f ) 为相位起伏谱密度,rad 2/Hz 。
取样时间τ与偏置频率f 的对应关系是f
, , , 而对, , 等处不τττ2τ2τ2τ
。
, , 只知道
图2
, 必须知道偏置频率从1/5τ到f h 范围内的完整数据。计算时, 公式中的积分下限变成测试时的最小偏置频率, 积分上限变成f h , f h 由测试系统带宽或用户自己决定选择。
215 相位噪声与时间抖动的换算
在数据通信领域中, 用户更关注的是时基信号的抖动, 当我们知道信号的相位噪声时, 可以通过式(4) 计算相应的时间抖动。
t rms =
πf 02
S (f ) d f
f 1
f 2
(4)
式中, t rms 为时间抖动,s ;
f 0为载波频率,Hz ;
图3 开关电源供电时的测试结果
f 1为积分区间的偏置频率下限,Hz ; f 2为积分区间的偏置频率上限,Hz ; S
2
行修正。修正量按式(2) 进行计算。
C =-10lg 1+
10d/10
(2)
3 结束语
相位噪声的测量过程是一个比较复杂的过程, 对测试人员的技术要求较高, 但随着科学技术的发展, 这种要求越来越低, 相信其在工程中的应用空间越来越大。本文介绍的方法以期对工程技术人员有所帮助。
参考文献
[1]李宗扬, 等1时间频率计量1北京:原子能出版社,2002
式中, C 为单边带相位噪声测试结果修正量,dB ; d 为参考源优于被测源的单边带相位噪声值,dB 。214 相位噪声与阿仑方差的换算
相位噪声作为频率频域稳定度的表征, 而阿仑方差作为频率频域稳定度的表征, 其之间可以相互
转换。当知道相位起伏谱密度时, 可以通过式(3) 计算阿仑方差。
2σ) =y (τ
∞
() d f 2πf τf 0
2
[2]E5500相位噪声测试系统技术说明书
2
(3)
[3]E5052A 信号分析仪技术说明书
2
式中, σy 为阿仑方差;
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测量与设备
相位噪声测试结果的分析与应用
沈世科
(中国西南电子技术研究所, 成都610036)
摘 要 本文简单介绍了相位噪声测量的各种方法, 介绍, 关键词 相位噪声; 阿论方差; 时间抖动
0 引言
在航天测控、, 随着对系统测量灵敏度、传输误码率等技术指标要求的不断提高, 相应对系统中用到的各种频率源的相位噪声提出了越来越高的要求。相位噪声测量方法较多, 如何正确的选用测量方法进行相位噪声测试, 并正确分析相位噪声测量结果, 显得优为重要。如何由相位噪声推算相应的时域频率稳定度和相位抖动, 也是工程技术人员面临的需要解决的问题。
、灵敏度高、分析频率范围宽、测量准确度最高的一种测量方法。它用相位检波器把信号的相位起伏变换为电压起伏, 由频谱仪测量相位起伏谱密度, 再由相位起伏谱密度在小角度条件下, 计算得到单边带相位噪声。由于采用了正交检相技术, 对调幅噪声有较大的抑制。不仅能测频率源的相位噪声, 也可测晶振的相位噪声和两端口频率器件的附加相位噪声等。该方法测量比较复杂, 要求要有一个能够进行频率调整的低相噪参考源, 参考源的相位噪声决定了系统的测试能力。目前, 市面上用得较多的相位噪声测试系统, 如HP3048、Agilent E5500系列、Aeroflex PN9000系列, 均采用了该测量方法。
1 相位噪声测量方法
相位噪声作为频率频域稳定度的表征量, 其表达方式一般有相位起伏谱密度, 频率起伏谱密度, 相对频率起伏谱密度和单边带相位噪声。而最常用到的就是单边带相位噪声, 其基本定义是偏离载波频率f 处,1Hz 带宽内的噪声功率与载波总功率之比。其常用的测量方法有, 直接频谱仪测量法, 相位检波器法、鉴频器法、差拍计数器法和交叉相关测量法。
直接频谱仪测量法是一种简便、有效并在工程测试中经常用到的测量方法。特别是现在高档的频谱仪一般都具有直接测量单边带相位噪声的功能, 一个按键即可解决问题。但是由于受频谱仪自身的噪声底、动态范围、滤波器的波形因素等的限制, 其测量范围是受限的, 一般用于测量相位噪声指标不是很高的频率源的相位噪声, 在偏离载波1kHz 以上的情况下, 其测量结果的可信度比较高,1kHz 以内可信度较差。该方法一般不能用来测晶振的相位噪声, 而且测量结果中不内分离调幅噪声和相位噪声。
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鉴频器法用鉴频器将被测源的频率起伏变换为电压起伏, 由频谱仪测量频率起伏谱密度, 再由频率
起伏谱密度换算成相位起伏谱密度, 再由相位起伏谱密度在小角度条件下, 计算得到单边带相位噪声。相对于相位检波器法, 它不需要参考源, 但近载频灵敏度较低, 适用于频率稳定度较差的频率源和VCO 等的测试。
差拍计数器法是一种时域分析法, 适用于测量精密频率源的近载频相位噪声, 在很靠近载频处, 其灵敏度是最高的。它采用时域测量阿仑方差的方法, 通过时频域转换得到相位噪声, 一般应用较少。
互相关技术是Agilent 公司近几年推出的新颖的相噪测试技术, 采用其独一无二的内部两个独立测量通道间的互相关联技术, 显著抵消了参考源的噪声, 使仪器自身的噪声底超乎寻常的底, 吸纳了相位检波器法的优点, 又克服了参考源的相位噪声限制系统测试能力的缺点, 应该是未来的发展方向。
测量与设备
其推出的E5052A 信号分析仪就采用了该方法进行相位噪声测试, 具有较高的测试灵敏度, 表1分别给出10MHz 和1GHz 载频, 相关次数为1时的系统噪表1
载频(MHz )
1
101000
-7410-3410
10-11410-7410
100-14415-11515
1k -15215-13215
声底。增加相关次数时, 其噪声底还会优化, 其关系见表2。
10M H z 和1GH z 载频时系统噪声底
偏置频率(Hz )
10k -1601
5-14115
100k -1701514815
1M -17215-10M /
单位:dBc/Hz
40M /-17415
-17410
表2相关点数与噪声底优化关系
10100, 在做相, 也应该采取一些措施, 减小电源杂散和外界干扰的影响, 以尽可能的反映被测件的真实情况。
相关点数噪声底优化量
2 相位噪声测试结果分析
正确的分析相位噪声测试结果, 可以从中获得
很多有用的信息, 有助于提高产品的优化设计, 以下就最常用的相位检波器法测试结果中常遇到的分析处理方法进行介绍。
211 单边带相位噪声测试结果的有效性
在相位检波器法中, 单边带相位噪声的测试结果是由测相位起伏谱密度计算而来的, 只有在满足小角度调制条件下, 即相位调制指数远远小于1时, 单边带相位噪声与相位起伏谱密度才满足关系式
(1) 。
￡(f ) =
S (f ) 2φ
(1)
图1 1GHz 频率源输出的相位噪声测试结果
由于相位噪声测试系统测试灵敏度较高, 一般在测试时, 应在屏蔽室中进行, 以屏蔽外界信号的干扰, 系统也应良好的单独接地, 以减小通过接地线引入的串扰。
产品的供电直流电源, 一般选用设计性能好、纹波系数小、带载能力强的线性电源, 不采用开关电源, 因为开关电源中有变频成份, 对测试结果影响较大。图2和图3分别是采用线性电源和开关电源时的测试结果, 从测试结果可以看到, 开关电源供电时, 杂散比线性电源供电时多得多, 特别是在100Hz ～10kHz 偏置范围以内, 由于杂散的牵引效应, 测试结果已不可信。213 测试结果的修正
在单边带相位噪声测试结果中, 小角度调制线是在1Hz 偏置频率处为-30dBc/Hz , 斜率为-10dB/10倍频程的一条直线, 只有测试结果处于该
直线之下时, 单边带相位噪声测试结果才有意义, 否则只能用相位起伏谱密度表示。图1是某1GHz 频率源输出的单边带相位噪声测试结果,10Hz 偏置频率以下, 单边带相位噪声测试结果是无效的,10Hz 偏置频率以上, 测试结果才是有效的。212 电源杂散与外界干扰的影响
电源杂散的处理一直是设计者感到困难的问题, 处理不好, 会在相位噪声测试结果图上看到很多的杂散信号, 严重时, 会出现测试曲线不连续等现象, 不能测量出真实的相位噪声。除产品设计者在
在相位噪声测试中, 要求参考源的相位噪声应优于被测源的相位噪声10dB , 此时, 在测试结果中参考源的贡献才可忽略不计, 否则需对测试结果进
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测量与设备
τ为取样时间,s ;
f 为偏置频率,Hz ; f 0为载波频率,Hz ;
S φ(f ) 为相位起伏谱密度,rad 2/Hz 。
取样时间τ与偏置频率f 的对应关系是f
, , , 而对, , 等处不τττ2τ2τ2τ
。
, , 只知道
图2
, 必须知道偏置频率从1/5τ到f h 范围内的完整数据。计算时, 公式中的积分下限变成测试时的最小偏置频率, 积分上限变成f h , f h 由测试系统带宽或用户自己决定选择。
215 相位噪声与时间抖动的换算
在数据通信领域中, 用户更关注的是时基信号的抖动, 当我们知道信号的相位噪声时, 可以通过式(4) 计算相应的时间抖动。
t rms =
πf 02
S (f ) d f
f 1
f 2
(4)
式中, t rms 为时间抖动,s ;
f 0为载波频率,Hz ;
图3 开关电源供电时的测试结果
f 1为积分区间的偏置频率下限,Hz ; f 2为积分区间的偏置频率上限,Hz ; S
2
行修正。修正量按式(2) 进行计算。
C =-10lg 1+
10d/10
(2)
3 结束语
相位噪声的测量过程是一个比较复杂的过程, 对测试人员的技术要求较高, 但随着科学技术的发展, 这种要求越来越低, 相信其在工程中的应用空间越来越大。本文介绍的方法以期对工程技术人员有所帮助。
参考文献
[1]李宗扬, 等1时间频率计量1北京:原子能出版社,2002
式中, C 为单边带相位噪声测试结果修正量,dB ; d 为参考源优于被测源的单边带相位噪声值,dB 。214 相位噪声与阿仑方差的换算
相位噪声作为频率频域稳定度的表征, 而阿仑方差作为频率频域稳定度的表征, 其之间可以相互
转换。当知道相位起伏谱密度时, 可以通过式(3) 计算阿仑方差。
2σ) =y (τ
∞
() d f 2πf τf 0
2
[2]E5500相位噪声测试系统技术说明书
2
(3)
[3]E5052A 信号分析仪技术说明书
2
式中, σy 为阿仑方差;
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