附加相位噪聲測(cè)試技術(shù)及注意事項(xiàng)

相位噪聲是頻率源和頻率控制器件的一個(gè)重要指標(biāo)。頻率源相位噪聲的測(cè)試是時(shí)間頻率專業(yè)計(jì)量測(cè)試人員經(jīng)常進(jìn)行的工作，有大量文章介紹，但是頻率控制器件的相位噪聲即附加相位噪聲的測(cè)試卻很少有文章提及。本文簡(jiǎn)單介紹了相位噪聲的定義，詳細(xì)介紹了附加相位噪聲的測(cè)試過(guò)程，給出了實(shí)際的測(cè)試結(jié)果，指出了附加相位噪聲測(cè)試過(guò)程中的一些注意事項(xiàng)，希望對(duì)附加相位噪聲測(cè)試人員有一定的借鑒意義。

頻率源相位噪聲的定義

頻率源的輸出信號(hào)，一般可表示為：

在相位噪聲測(cè)量中，實(shí)際的測(cè)試結(jié)果量并非上述定義的譜密度，而是信號(hào)調(diào)制邊帶功率與總信號(hào)功率之比

按照國(guó)際上早年推薦的定義和近些年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院NIST對(duì)有關(guān)特征量的規(guī)定，單邊帶相位噪聲作為頻率穩(wěn)定度的頻域表征量。

頻率控制器件附加相位噪聲的定義

儀器儀表商城頻率控制器件附加相位噪聲又稱兩端口部件噪聲或剩余噪聲。當(dāng)信號(hào)通過(guò)兩端口部件時(shí)，噪聲以線性相加或相乘(調(diào)制)的形式加到信號(hào)上。兩端口部件包括放大器、分頻器、濾波器、倍頻器等。

附加相位噪聲的測(cè)量

附加相位噪聲的測(cè)量采用相位檢波器法。

相位檢波器法是一種應(yīng)用最廣泛、靈敏度高、分析范圍寬的相位噪聲測(cè)量方法。它因用相位檢波器把信號(hào)的相位起伏變換為電壓起伏，然后用頻譜分析儀測(cè)得Sφ(f)而得名。又因此法利用了相位檢波器的兩輸入信號(hào)處于90°相差時(shí)，對(duì)信號(hào)相位敏感的特性，所以又稱為正交檢相法。還因此法必須有一個(gè)參考頻率源，也稱為雙源法或有源法。這種測(cè)量方法用于測(cè)量高穩(wěn)定、低噪聲的精密頻率源，如原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、高穩(wěn)晶振、低噪聲頻率綜合器、鎖相源以及各種頻率控制器件。

儀器儀表商城相位檢波器法測(cè)試附加相位噪聲的基本測(cè)試原理是將被測(cè)信號(hào)分成兩路進(jìn)行檢相，當(dāng)兩路信號(hào)正交且電長(zhǎng)度相等或近似相等時(shí)，調(diào)幅噪聲和源的噪聲被充分抑制，檢相器的輸出反映的就是被測(cè)頻率控制器件的附加相位噪聲。

測(cè)量框圖

附加相位噪聲測(cè)量框圖如圖1所示。

圖1附加相位噪聲測(cè)量框圖

(1)測(cè)量準(zhǔn)備

按圖連接儀器，加電預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間按儀器說(shuō)明書要求。注意功分器至相位檢波器的兩個(gè)信號(hào)通路的延遲差應(yīng)該最小，并選用調(diào)幅噪聲小的頻率源。

(2)系統(tǒng)定標(biāo)

系統(tǒng)定標(biāo)就是測(cè)量相位檢波系數(shù)Kφ，確定輸入信號(hào)的相位起伏和相位檢波器輸出電壓起伏之間的關(guān)系。系統(tǒng)定標(biāo)有兩種常用方法，正負(fù)直流峰值法和差拍法。

正負(fù)直流峰值法。調(diào)節(jié)移相器，觀察正交指示器，使相位檢波器輸出的直流電壓達(dá)到正峰值，用Umax表示，再調(diào)節(jié)移相器，使電壓達(dá)到負(fù)峰值，用Umin表示，則

Kφ=(Umax-Umin)/2

差拍法。用功率計(jì)測(cè)量參考輸入端功率;設(shè)置頻率綜合器的輸出頻率為f0 + fb(fb可設(shè)置為小于100kHz的任意低頻頻率，典型應(yīng)用為1kHz)，輸出功率與參考輸入端功率相等。替代原參考信號(hào)接入?yún)⒖驾斎攵?，被替代的信?hào)通路末端加50Ω終端負(fù)載，測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量檢相器輸出的差拍信號(hào)fb的電壓峰值，則相位檢波常數(shù)K的數(shù)值等于fb的電壓峰值。

(3)正交與測(cè)量

調(diào)節(jié)移相器使直流電壓表讀數(shù)為零，即系統(tǒng)正交，用頻譜分析儀測(cè)得偏離載頻f處邊帶電平值Pm.

(4)測(cè)量數(shù)據(jù)的校正

邊帶電平的測(cè)量值Pm需加以下三項(xiàng)校正因子：

測(cè)試結(jié)果示例

圖2為我們對(duì)固態(tài)功率放大器的實(shí)際測(cè)試結(jié)果。圖中最下面的一條曲線為PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的本底噪聲，上面的三條曲線為重復(fù)進(jìn)行三次測(cè)量的結(jié)果。

圖2附加相位噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果示例

注意事項(xiàng)

(1)在保持正交的前提下，盡量使相位檢波器兩路輸入信號(hào)經(jīng)歷的電長(zhǎng)度相等，這時(shí)源的噪聲在相位檢波器中互相抵消，測(cè)得的相位噪聲即為被測(cè)頻率控制器件的相位噪聲。

(2)目前只有帶附加相位噪聲選件的PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)和HP3048A相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)才具有附加相位噪聲測(cè)試功能。

(3)測(cè)試頻率控制器件的附加相位噪聲之前，一般要先測(cè)量系統(tǒng)的本底噪聲，確保測(cè)試系統(tǒng)工作正常。

(4)頻率控制器件的相位噪聲一般都要比信號(hào)源的相位噪聲好，我們測(cè)試的固態(tài)功放的相位噪聲就比信號(hào)源的相位噪聲好很多。

表1附加相位噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

放大器對(duì)信號(hào)惡化程度的說(shuō)明

對(duì)放大器的附加相位噪聲測(cè)試，筆者曾經(jīng)嘗試先測(cè)量信號(hào)源的相位噪聲，再測(cè)量接入放大器之后信號(hào)源的相位噪聲，以放大器對(duì)信號(hào)源的相位噪聲的惡化程度來(lái)表征放大器的性能，但是結(jié)果幾乎看不出來(lái)放大器對(duì)信號(hào)源的惡化。

經(jīng)過(guò)分析測(cè)試結(jié)果是真實(shí)的，這種測(cè)試方法測(cè)試的是放大器和信號(hào)源的相位噪聲之和，放大器對(duì)信號(hào)源相位噪聲的影響可由下式給出：

e(dB)= 10lg[1 + 10-d/10]

d為放大器和信號(hào)源相位噪聲的差值。放大器對(duì)信號(hào)源相位噪聲的惡化見表2.

表2相位噪聲惡化值

當(dāng)放大器的附加相位噪聲指標(biāo)遠(yuǎn)好于信號(hào)源的相位噪聲指標(biāo)時(shí)，這種方法不適宜用于測(cè)量放大器的附加相位噪聲。

結(jié)束語(yǔ)

儀器儀表商城頻率控制器件的附加相位噪聲指標(biāo)越來(lái)越受到重視，正確的測(cè)試該項(xiàng)指標(biāo)是評(píng)價(jià)頻率控制器件性能的一個(gè)重要因素。本文詳細(xì)介紹了頻率控制器件附加相位噪聲的測(cè)試過(guò)程，給出了實(shí)際的測(cè)試結(jié)果，指出了附加相位噪聲測(cè)試過(guò)程中的一些注意事項(xiàng)，希望對(duì)附加相位噪聲測(cè)試人員有一定的借鑒意義。