邱 斌 夏 偉 丁風(fēng)海 余清華

(中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江陰 214431)

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基于85671A單邊帶相位噪聲自動(dòng)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

邱 斌 夏 偉 丁風(fēng)海 余清華

(中國衛(wèi)星海上測(cè)控部，江陰 214431)

本文在簡(jiǎn)要探討了相位噪聲的定義和測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了頻譜分析儀測(cè)試相位噪聲的原理及關(guān)鍵技術(shù)；研究了HP/Agilent公司的頻譜分析儀相位噪聲測(cè)試選件85671A實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的難點(diǎn)和解決辦法，最后給出了基于85671A實(shí)現(xiàn)SSB相位噪聲自動(dòng)測(cè)試的具體實(shí)現(xiàn),解決了85671A不能用于自動(dòng)測(cè)試的難題；結(jié)果表明這是一種更加高效準(zhǔn)確的單邊帶相位噪聲測(cè)試方法。

頻譜儀；相位噪聲；自動(dòng)測(cè)試；85671A

0 引言

在射頻和微波系統(tǒng)，相位噪聲是描述信號(hào)質(zhì)量的重要特性指標(biāo)。例如，在通信系統(tǒng)中，在存在強(qiáng)信號(hào)的情況下，接收機(jī)的本地振蕩器的相位噪聲就決定了相鄰?fù)ǖ赖慕邮侦`敏度；同樣，在發(fā)射機(jī)中，振蕩器的相位噪聲和調(diào)制器的特性一起影響鄰近通道的功率。因此，在無線電系統(tǒng)中，振蕩器、合成器的相位噪聲測(cè)試是十分必要的，在實(shí)際工作中還時(shí)常需要實(shí)現(xiàn)SSB相位噪聲的自動(dòng)測(cè)試，以提高效率和測(cè)試精度。

1 相位噪聲測(cè)試原理

每一個(gè)射頻和微波源都存在頻率穩(wěn)定度的問題，在表征短期頻率穩(wěn)定度指標(biāo)中，最常用的是單邊帶相位噪聲。頻率振蕩器受各種干擾和噪聲影響，其輸出信號(hào)不可能是一個(gè)理想的正弦波。

V(t)=[Vo+ε(t)]sin[2p fot+Δφ(t)]

(1)

式中，Vo為信號(hào)幅度；fo為信號(hào)頻率；2p fot為信號(hào)的相位；ε(t)為隨機(jī)幅度變化；Δφ(t)為隨機(jī)相位變化或相位噪聲。

相位噪聲的測(cè)量最常見的方法是頻域分析法，它是把信號(hào)相位的的波動(dòng)Δφ(t)通過傅立葉變換，變?yōu)樵肼暪β拭芏群瘮?shù)Sφ(f)加以描述[2]。SSB相位噪聲通常用對(duì)數(shù)刻度表示，即：

Llg(f)=10lg(Pssb/Ps)(dBc/Hz)

(2)

式中，Pssb是距載波f處的1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率；Ps是信號(hào)功率。f是距離載波頻率的頻差。

相位噪聲的測(cè)量可在時(shí)域測(cè)量，但一般進(jìn)行頻域測(cè)量的較多。在頻域測(cè)量方法中，最常用是鑒相法和頻譜儀直接測(cè)量法。鑒相法是專用相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)所使用的方法，它用相位檢波器把信號(hào)的相位起伏變換為電壓起伏，由頻譜儀測(cè)量相位起伏譜密度，再由相位起伏譜密度在小角度條件下，計(jì)算得到單邊帶相位噪聲[1]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠提供非常大的動(dòng)態(tài)范圍，最高可達(dá)-170dBc/Hz，缺點(diǎn)是較復(fù)雜和昂貴。頻譜儀直接測(cè)量法不需要額外的設(shè)備，簡(jiǎn)單易行，但用這種方法有兩個(gè)限制條件，一是頻譜儀本振的相位噪聲必須足夠低，以確保測(cè)試的是被測(cè)源的相位噪聲，頻譜儀測(cè)量SSB相位噪聲的范圍通常不會(huì)超過-120dBc/Hz；二是振蕩器的頻率漂移在頻譜儀的掃描時(shí)間內(nèi)應(yīng)該非常小，也就是說被測(cè)源應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定的，否則也將引起測(cè)試結(jié)果的失真[4]。

2 頻譜儀測(cè)試SSB相位噪聲關(guān)鍵技術(shù)

用頻譜儀測(cè)試振蕩器的SSB相位噪聲，實(shí)質(zhì)上就是用頻譜儀測(cè)量噪聲電平并換算到相位噪聲。但由于頻譜儀的檢波器是被設(shè)計(jì)成檢測(cè)正弦波的，在測(cè)量相位噪聲時(shí)需注意以下問題的影響。

2.1 噪聲等效帶寬的影響

噪聲是一個(gè)與帶寬相關(guān)的量，噪聲電平測(cè)量總是指在一定帶寬下，而不同響應(yīng)曲線的各種濾波器對(duì)噪聲產(chǎn)生的響應(yīng)也是不同的，所以，應(yīng)當(dāng)定義一個(gè)統(tǒng)一的噪聲等效帶寬BWn，若一個(gè)濾波器的噪聲等效帶寬已知，只要輸入噪聲在濾波器的帶寬范圍內(nèi)恒定不變，那么，在進(jìn)行噪聲計(jì)算時(shí)便無需精確的濾波曲線。濾波器的噪聲等效帶寬由與原有濾波器同樣數(shù)量的噪聲通過的矩形濾波曲線決定，如圖1。對(duì)于HP8560E系列頻譜儀，噪聲等效帶寬大約是分辨力帶寬的1.2倍。在測(cè)量相位噪聲時(shí)，頻譜儀會(huì)自動(dòng)將噪聲電平歸一化到1Hz，即將測(cè)量結(jié)果減去10lg(BWn/1Hz)。

圖1 濾波器的噪聲等效帶寬

2.2 頻譜儀測(cè)量噪聲時(shí)引入的誤差

頻譜儀的檢波器是被設(shè)計(jì)成檢測(cè)正弦波的，在測(cè)量噪聲電平時(shí)將會(huì)引入誤差，此外，頻譜儀的對(duì)數(shù)放大器在放大噪聲時(shí)也會(huì)產(chǎn)生誤差，由于上述原因而導(dǎo)致頻譜儀在測(cè)量噪聲時(shí)的顯示值比實(shí)際值要低，大約是2.5dB[5]。

2.3 頻譜儀本底噪聲的修正

頻譜儀測(cè)量的噪聲實(shí)際上是信號(hào)噪聲和本地振蕩器噪聲的總和。若被測(cè)噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頻譜儀的內(nèi)部噪聲，便不會(huì)引入顯著誤差。然而，當(dāng)外部噪聲電平接近內(nèi)部噪聲電平時(shí)，測(cè)量便存在誤差。當(dāng)實(shí)際噪聲等于內(nèi)部噪聲時(shí)，測(cè)量結(jié)果將比實(shí)際值高3dB。這種誤差也是可以修正的，例如噪聲測(cè)試值與內(nèi)部噪聲之差為5dB時(shí)，帶來的誤差為1.20dB。通常，當(dāng)噪聲電平測(cè)試值大于頻譜儀內(nèi)部噪聲20dB以上，引入的誤差才可以忽略。

在用頻譜儀測(cè)量相位噪聲時(shí)，需要對(duì)以上討論的問題進(jìn)行換算和修正，大多數(shù)現(xiàn)代頻譜儀使用噪聲標(biāo)記功能時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和修正，包括8560E系列頻譜儀。

3 基于85671A實(shí)現(xiàn)SSB相位噪聲自動(dòng)測(cè)試

在許多應(yīng)用場(chǎng)合需要對(duì)相位噪聲進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，這樣不但可以提高測(cè)試效率，而且可以采集并繪出SSB相位噪聲距離載波頻率變化的曲線。

Agilent8560E系列頻譜儀有85671A相噪測(cè)試選件，只要設(shè)置好初始參數(shù)，頻譜儀將自動(dòng)進(jìn)行相位噪聲測(cè)量，并繪制出SSB相位噪聲曲線。當(dāng)然也可以不用此選件，利用頻譜儀的噪聲標(biāo)記和相對(duì)標(biāo)記功能測(cè)得信號(hào)SSB相位噪聲。

在用8650E系列頻譜儀進(jìn)行相位噪聲自動(dòng)測(cè)試時(shí)，可以充分利用85671A相位噪聲測(cè)試選件的功能。85671A是HP/Agilent公司為8560E系列頻譜儀提供的嵌入式相噪測(cè)試軟件，它可以下載到85620A存儲(chǔ)器模塊。85671A提供了通過頻譜儀面板對(duì)SSB相位噪聲測(cè)試的功能，并繪出相位噪聲距離載波頻率變化的曲線。但是，由于HP/Agilent公司沒有提供通過程控命令進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和控制運(yùn)行85671A的方法與資料，若要實(shí)現(xiàn)8560E頻譜儀的SSB相位噪聲自動(dòng)測(cè)試，就需解決兩個(gè)難題：一是如何遠(yuǎn)程控制85671A選件；二是如何傳輸頻譜儀的軌跡數(shù)據(jù)到控制計(jì)算機(jī)。

3.1 如何遠(yuǎn)程控制85671A

經(jīng)過分析，筆者發(fā)現(xiàn)85671A是可下載到85620A中的程序，可以通過85620A的變量定義命令對(duì)85671A中用到的變量進(jìn)行賦值，而85671A的子程序本身就可以通過程序名以程控命令的形式進(jìn)行控制。所以，只要找出相噪測(cè)試時(shí)需要設(shè)置的參數(shù)與85671A的變量之間的關(guān)系，就可以程控85671A，實(shí)現(xiàn)SSB相位噪聲自動(dòng)測(cè)試。

在用85671A進(jìn)行SSB相噪測(cè)試時(shí)，需要設(shè)置的參數(shù)有載波頻率fc、最小偏離載波頻率fmin、最大偏離載波頻率fmax和相噪測(cè)試參考電平Lref，還有頻譜儀顯示的對(duì)數(shù)坐標(biāo)系的頻率軸的網(wǎng)格數(shù)x。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)與85671A的定義變量關(guān)系如下：

fc=PH_S_FRQ

(3)

fmin=PH_FMIN,PH_FMIN

=10exp(PH_F_EXP)

(4)

fmax=PH_FMAX,PH_FMAX

=10exp(3*PH_FMAXI+

PH_FMAXM)

(5)

Lref=PH_RLVL

(6)

x=PH_TENS,PH_TENS

=lg(PH_FMAX/PH_FMIN)

(7)

式(3)～式(7)中，PH_S_FRQ是85671A定義的待測(cè)信號(hào)載波頻率變量，Hz；PH_FMIN是85671A定義的SSB相位噪聲測(cè)量的最小偏離載波頻率變量，Hz；PH_FMAX是85671A定義的SSB相位噪聲測(cè)量的最大偏離載波頻率變量，Hz；PH_RLVL是85671A定義的參考電平變量，dBm；PH_TENS是頻譜儀相位噪聲坐標(biāo)網(wǎng)格系數(shù)；PH_F_EXP、PH_FMAXI、PH_FMAXM是85671A定義的中間變量。

3.2 數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)

頻譜儀遠(yuǎn)控操作的實(shí)質(zhì)上就是通過程控接口(如GPIB接口)與控制器之間發(fā)送和接收軌跡數(shù)據(jù)。而要實(shí)現(xiàn)軌跡數(shù)據(jù)的傳輸，需要滿足三個(gè)條件，下面以8560E系列頻譜儀為例進(jìn)行討論：

1)確定軌跡長度：8560E系列頻譜儀軌跡數(shù)據(jù)有601個(gè)軌跡元素構(gòu)成，這個(gè)長度是不可變的。當(dāng)與計(jì)算機(jī)之間傳輸軌跡數(shù)據(jù)時(shí)，軌跡數(shù)據(jù)數(shù)組的大小必須被設(shè)為601個(gè)點(diǎn)。

2)確定軌跡的注釋信息：如果不能確定軌跡數(shù)據(jù)的注釋信息，那么得到的軌跡是沒什么價(jià)值的。而要確定一個(gè)軌跡數(shù)據(jù)的狀態(tài)，下列5個(gè)注釋信息必須被同時(shí)存儲(chǔ)，分別是開始頻率、結(jié)束頻率、參考電平、幅度刻度比例和絕對(duì)幅度單位。當(dāng)然，也可以存儲(chǔ)附加的注釋信息，比如分辨力帶寬、射頻衰減和掃描時(shí)間等。

3)在傳輸數(shù)據(jù)之前指定數(shù)據(jù)格式：在與計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)之前，必須知道所發(fā)送或接受數(shù)據(jù)的格式，8560E系列頻譜儀用TDF命令指定軌跡數(shù)據(jù)的格式。TDF命令指定的數(shù)據(jù)格式有5種，分別是：P、B、A、I和M格式。軌跡數(shù)據(jù)的單位有參數(shù)單位和測(cè)量單位兩種。參數(shù)單位是標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)單位，如幅度的單位dBm、W等[3]。但在軌跡數(shù)據(jù)傳輸時(shí)最好使用測(cè)量單位，它是頻譜儀的內(nèi)部單位。使用測(cè)量單位最大的好處是提高測(cè)量速度，因?yàn)轭l譜儀內(nèi)部不必在測(cè)量單位和參數(shù)單位之間換算。當(dāng)使用測(cè)量單位時(shí)，軌跡數(shù)據(jù)在頻譜儀內(nèi)部被存儲(chǔ)為0到600的整數(shù)。測(cè)量單位和參數(shù)單位之間是可以換算的，在使用對(duì)數(shù)刻度時(shí)，關(guān)系如下：

(8)

(9)

式中，UP代表參數(shù)單位的信號(hào)幅度；UM代表測(cè)量單位的信號(hào)幅度；LREF代表參考電平；K代表頻譜儀對(duì)數(shù)刻度比例。

在TDF命令返回?cái)?shù)據(jù)的幅度信息中，只有P格式是以參數(shù)單位表示的，其余4種都是以測(cè)量單位表示的。

3.3 自動(dòng)測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)

在明確了以上三個(gè)條件后，就可以將頻譜儀的軌跡數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，然后進(jìn)行存儲(chǔ)并進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換，最后在計(jì)算機(jī)上繪出SSB相位噪聲曲線圖。利用8560E頻譜儀85671A選件自動(dòng)測(cè)試SSB相位噪聲的程序流程見圖2。圖3是測(cè)試某信號(hào)源的相位噪聲后繪出的SSB相噪曲線。

圖2 基于85671A的SSB相位噪聲自動(dòng)測(cè)試軟件流程

圖3 測(cè)試某信號(hào)源時(shí)繪制的SSB相位噪聲曲線

4 結(jié)束語

本文在探討了使用頻譜分析儀測(cè)試單邊帶相位噪聲的基本原理和方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)HP/Agilent公司沒有提供用于頻譜儀的85671A相位噪聲測(cè)試選件程控方法和資料的難題，通過分析相位噪聲測(cè)試變量與85671A內(nèi)部變量的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了基于85671A選件實(shí)現(xiàn)SSB相位噪聲的自動(dòng)測(cè)試，并給出了軟件實(shí)現(xiàn)方法。

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