薛 飛（中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471009）

淺談如何測(cè)量微波相位噪音

薛 飛
（中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471009）

摘 要：在微波收發(fā)設(shè)備中，各本振信號(hào)、發(fā)射信號(hào)等射頻信號(hào)的相位噪聲水平直接影響到泄露、檢測(cè)門限、靈敏度等關(guān)鍵系統(tǒng)指標(biāo)。所以對(duì)微波信號(hào)相位噪聲的測(cè)量是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保證。本文將從相位噪聲的原理、測(cè)量方法等多方面進(jìn)行分析，對(duì)不同測(cè)試方法進(jìn)行了研究和比較。

關(guān)鍵詞：相位噪聲;鑒頻法測(cè)量;參考信號(hào)源

1　相位噪聲

相位噪音指的是各種射頻器件輸出的系統(tǒng)信號(hào)在噪音的影響下出現(xiàn)的隨機(jī)變化，表示了無線電波的幅度、相位、頻率的相互影響。相位噪聲通常分為兩大類：兩端口相位噪聲和絕對(duì)相位噪聲。兩端口噪聲是由設(shè)備的分配噪聲引起的器件噪聲，是對(duì)信號(hào)時(shí)間變化的另一種測(cè)量方式，其測(cè)量結(jié)果能在頻率域內(nèi)顯示，通常放大器、混頻器等都會(huì)有兩端口噪聲；而絕對(duì)相位噪聲指的是設(shè)備輸出口端所出現(xiàn)的總相位噪聲，它同時(shí)也是器件兩端口相位噪聲和振蕩器噪聲的函數(shù)。我們?cè)趯?shí)際的測(cè)量中的測(cè)量重點(diǎn)在于測(cè)量震蕩源的絕對(duì)相位噪聲，所以下文重點(diǎn)介紹微波源絕對(duì)噪聲的測(cè)量方法。

2　測(cè)量相位噪聲的意義

根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示，信號(hào)源的相位噪音在信號(hào)電平分散在較寬動(dòng)狀態(tài)圍的頻率交換中至關(guān)重要。例如：如果把兩個(gè)頻率不同的信號(hào)輸入到變頻器之中，然后再加入一個(gè)本地震蕩信號(hào)分別與兩個(gè)信號(hào)混頻，使得兩個(gè)信號(hào)變成中頻信號(hào)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)本地振蕩器的相位噪聲直接轉(zhuǎn)化撐了混頻器的輸出。即使變頻以后大信號(hào)的混頻項(xiàng)得到恢復(fù)，可是本地振蕩器的振蕩噪聲邊帶大于兩個(gè)小信號(hào)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)充分說明了本振噪聲對(duì)系統(tǒng)靈敏度和準(zhǔn)確度的影響。在實(shí)際的通信中，臨近的相位噪聲的相位抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的錯(cuò)誤率有較大的影響。在很多通信系統(tǒng)里，調(diào)制信號(hào)的頻是很高的，剛開始時(shí)信噪比也很高，但是大部分微波中轉(zhuǎn)站都采用上邊頻法和下邊頻法放大信號(hào)，就可以得到傳輸?shù)恼ｋ娖剑诮?jīng)過幾個(gè)中繼站之后，寬帶噪聲會(huì)越來越大，由此可見，如果本振的寬帶噪聲電平太高，對(duì)于系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)度都影響很大。所以，解決相位噪聲對(duì)于系統(tǒng)、對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和研究結(jié)果有著十分重要的意義。

相位噪聲的影響：相位噪聲在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)作過程中會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)作過程和結(jié)果產(chǎn)生很大影響，例如對(duì)接收機(jī)、通訊系統(tǒng)、多普勒雷達(dá)系統(tǒng)等。下面我們主要討論一下相位噪聲對(duì)接收機(jī)的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，器件的減噪放大器的動(dòng)態(tài)范圍、電路系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均在快速發(fā)展，相位噪聲已經(jīng)成為限制電路系統(tǒng)發(fā)展的一大原因，如何降低相位噪聲是人們一直以來在研究的重點(diǎn)。在電磁環(huán)境不好的情況下，接收器能夠提取弱小有用信號(hào)是非常有必要的，但是如果附近存在強(qiáng)干擾信號(hào)，接收機(jī)混頻器就會(huì)容易出現(xiàn)倒易混頻現(xiàn)象。在存在本振相噪差時(shí)，如果本頻相噪差，接收機(jī)就收不到弱小信號(hào)，因此我們對(duì)接收機(jī)的要求是選擇性和大動(dòng)態(tài)。

3　測(cè)量相位噪聲的方法

3.1 直接頻譜測(cè)量方法

最簡(jiǎn)單、最直接也是最經(jīng)典的相位測(cè)量技術(shù)，把信號(hào)分析儀調(diào)到適當(dāng)頻率，直接測(cè)量功率譜密度。這種方法在測(cè)量對(duì)頻譜密度時(shí)存在載波，對(duì)測(cè)量結(jié)果可能有比較大的影響，但是這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以快速便捷的測(cè)定出擁有高噪音的信號(hào)源的質(zhì)量，由于信號(hào)分析儀不能區(qū)分調(diào)幅噪聲和相位噪聲，所以要求相位噪聲必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)物件的調(diào)幅噪聲。

3.2 參考信號(hào)源測(cè)量法

這種方法需要用到雙平衡混頻器，由被測(cè)物件和信號(hào)源兩個(gè)信號(hào)來源為雙平衡混頻器提供信號(hào)。為了使測(cè)量的結(jié)果更精確，參考信號(hào)源的相位噪聲應(yīng)該盡可能的低，基帶信號(hào)會(huì)被放大出入分析儀器。參考信號(hào)源測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，測(cè)量范圍廣，而且還可以跟蹤漂移信號(hào)源；該方法的缺點(diǎn)是在測(cè)量高漂移信號(hào)源時(shí)需要較寬的調(diào)節(jié)范圍。

3.3 鑒頻器測(cè)量方法

鑒頻器測(cè)量方法也是一種常用的高效的測(cè)量微波相位噪音的方法，該方法不需要參考信號(hào)源，鑒頻器方法的優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)量較大的噪聲源的時(shí)候或者測(cè)量高電平的相位噪音時(shí)不會(huì)受到影響，但是在一定程度上降低了測(cè)量的靈敏度。鑒頻器測(cè)量時(shí)吧信號(hào)分成了兩路通道，其中一路相對(duì)產(chǎn)生延遲，從而把頻率的起伏轉(zhuǎn)化成了相位的變化，然后鑒相器的兩個(gè)輸出相位形成正交，把相位的波動(dòng)轉(zhuǎn)化為電壓的波動(dòng)在頻率以噪聲的形式在分析儀上顯示，把頻率噪聲轉(zhuǎn)化為相位噪聲讀數(shù)。

3.4 鑒相器測(cè)量方法

如果使用鑒相器進(jìn)行相位噪聲的測(cè)量可以分離調(diào)幅噪聲和相位噪聲，更準(zhǔn)確地測(cè)量微波相位噪音，在測(cè)量過程中，使用鑒相器可以有效地把兩個(gè)輸入信號(hào)之間之間的相位差轉(zhuǎn)化為輸出端的電壓。

3.5 雙通道互相關(guān)測(cè)量技術(shù)

該技術(shù)其實(shí)是兩個(gè)相同的單通道參考信號(hào)源結(jié)合在一起形成的系統(tǒng)，由于分開了兩個(gè)通道，所以兩個(gè)通道中被測(cè)試噪聲是不相干的，不會(huì)受到彼此之間的影響，此外，兩個(gè)通道之中被測(cè)試的噪聲通過互相關(guān)的速度也有了相應(yīng)的降低。雙通道互相關(guān)測(cè)量技術(shù)跟其他方法相比優(yōu)勢(shì)十分明顯，擁有極其出色的測(cè)量靈敏度，但是想要實(shí)現(xiàn)雙通道互相關(guān)測(cè)量技術(shù)需要有非常好的硬件性能，而且互相關(guān)級(jí)數(shù)的增加也會(huì)相應(yīng)的影響到測(cè)量速度。

3.6 數(shù)字鑒相器測(cè)量法

科學(xué)的測(cè)量方法都是在實(shí)踐中不斷改進(jìn)的，我們通過在實(shí)驗(yàn)中對(duì)于模擬延遲線鑒相器方法的總結(jié)改進(jìn)之后得到了數(shù)字鑒相器測(cè)定法，用來測(cè)量一些相位較大、較不穩(wěn)定的信號(hào)源，數(shù)字鑒相器測(cè)量法比模擬延遲線鑒相器方法擁有更寬更廣的噪聲測(cè)定范圍，而且與其他鑒定方法不同的是，數(shù)字鑒相器測(cè)定方法在任何頻率都不需要重新連接模擬延遲線，但是該方法在實(shí)際測(cè)量中會(huì)受到LNA和ADC的限制。

4　總結(jié)

微波相位噪聲是衡量頻率標(biāo)準(zhǔn)源頻穩(wěn)質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，隨著技術(shù)的不斷提高，相應(yīng)噪聲量也會(huì)越來越小，因此對(duì)于微波相位噪聲的測(cè)量也提出了越來越高的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫隆慶.頻譜分析與頻譜測(cè)量[M].人民郵電出版社,1982.

[2]王保華等.調(diào)頻無線電技術(shù)[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社,1978.

作者簡(jiǎn)介：薛飛（1982-），男，河南洛陽人，工程師，研究方向：雷達(dá)導(dǎo)引頭總體設(shè)計(jì)及試驗(yàn)。