詳解：附加相位噪聲測(cè)試技術(shù)及測(cè)試過(guò)程注意事項(xiàng)

1引言

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。

2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。

3頻率控制器件附加相位噪聲的定義

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。

4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。

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。

4.1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

4.2測(cè)量步驟

(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)Kb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:

4.3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

4.4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。

5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(jiàn)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。

6結(jié)束語(yǔ)

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。