專利名稱：一種寬頻率范圍、快響應(yīng)時間及高分辨率的相位噪聲測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種寬頻率范圍、快響應(yīng)時間及高分辨率的相位噪聲測量方法。
背景技術(shù)：
相位處理和相噪測量在基本頻率源的特性、頻率基標(biāo)準(zhǔn)的研究、應(yīng)用及性能測試中具有重要意義。相位處理所采取的方法不僅決定了頻率變換、鎖相環(huán)的鎖相精度及系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且還影響到了整個相位噪聲測量設(shè)備的可行性和造價。近年來，隨著晶體振蕩器市場需求量的不斷擴(kuò)大，我國已成為位居世界第二的晶體振蕩器生產(chǎn)大國，而且晶振 生產(chǎn)技術(shù)水平較高，發(fā)展?jié)摿艽?，但基于晶體振蕩器相位噪聲測量這方面的技術(shù)及設(shè)備卻很差，每年進(jìn)口的檢測設(shè)備價值總和接近I億元人民幣，國內(nèi)的絕大多數(shù)用戶不愿投資這類價格超過100萬元的設(shè)備，因此對國內(nèi)大量企事業(yè)單位的研發(fā)、生產(chǎn)造成了很大的限制，嚴(yán)重制約了我國在該領(lǐng)域的發(fā)展，同時也對多個與此相關(guān)的行業(yè)造成了不同程度的影響。除此之外，相位噪聲也是頻率源的更高端設(shè)備一原子頻標(biāo)的重要性能指標(biāo)。目前，相位處理和相噪測量主要用于通訊、計量、電子工程、導(dǎo)航設(shè)備、儀器儀表等領(lǐng)域，以完成對頻率源高精度單邊帶相位噪聲的測量，而這方面的技術(shù)仍采用傳統(tǒng)的相位處理技術(shù)，國內(nèi)所使用的設(shè)備基本上是從國外進(jìn)口。據(jù)統(tǒng)計，近20年來我國先后引進(jìn)了大量HP3047/3048A、E5500系列、PN9000等型號的相位噪聲測量系統(tǒng)，集中分布在航天、航空、電子、兵器、郵電、海軍、總裝等部門。這些進(jìn)口設(shè)備不但價格昂貴，而且使用也不太方便。因此，急需尋找一種新的相位處理方法和相位噪聲測量技術(shù)，從根本上改變我國在相位噪聲測量及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域落后的狀況?；诖耍景l(fā)明提出一種寬頻率范圍、快響應(yīng)時間及高分辨率的相位噪聲測量新方法。該方法是一種完全不同于已有技術(shù)途徑的新的相位處理方法，它從原理上突破了傳統(tǒng)相位處理方法中必須同頻才能鑒相的限制，使得相位處理變得更具有普遍意義。以此方法為基礎(chǔ)的相位噪聲測量系統(tǒng)可以做到用一個參考源，不必借助高精度的頻率合成器便可完成任意頻率信號的相噪測量而且參考源的相位噪聲低，頻率穩(wěn)定度高，壓控范圍寬，與傳統(tǒng)相位噪聲測量方法相比，具有測量精度高，電路結(jié)構(gòu)簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)。寬頻率范圍、快響應(yīng)時間及高分辨率的相位噪聲測量方法不僅在相噪測量尤其是對信號源的單邊帶相噪測量方面具有廣泛的應(yīng)用前景，而且還為使用各種振蕩器和原子頻標(biāo)的航空航天、導(dǎo)航定位、國防軍工、儀器儀表、精密時頻測控、雷達(dá)、天文及其它高科技領(lǐng)域提供對其關(guān)鍵的相噪測量方面的技術(shù)支持。同時，相噪測量儀器的發(fā)展水平也常常成為衡量一個國家測試水平和測試能力的重要標(biāo)志，它能夠帶動和促進(jìn)與此相關(guān)的多個領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。從長遠(yuǎn)來看，這種新的相位噪聲測量方法能夠改善和提升我國在時頻率測控領(lǐng)域的整體技術(shù)水平，因而具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。目前常用的相位噪聲測量方法有直接頻譜分析法、差頻法、鑒相法、鑒頻法和高速AD采樣法等。I、直接頻譜分析法
直接頻譜分析法就是用頻譜分析儀直接測量相位噪聲。它是一種測量相位噪聲的簡單、有效方法。它將待測頻率源的輸出直接接到頻譜儀的輸入端，調(diào)節(jié)頻譜分析儀的中心頻率和分辨率，從頻譜分析儀顯示結(jié)果上就可以觀察到被測信號的粗略相位噪聲。用頻譜分析儀直接測量相位噪聲有以下幾個方面的限制(I)頻譜分析儀的本底噪聲，即靈敏度。因為一般頻譜分析儀器的本底噪聲比較大，所以既不適用于測量低相位噪聲的頻率源，也不適用于測量偏離載頻小于IKHZ處的相位噪聲；(2)頻譜分析儀不能把幅度調(diào)制(AM)噪聲與頻率調(diào)制(FM)噪聲區(qū)分開來，所測結(jié)果是一種組合噪聲。為了精確地測量相位噪聲，不僅要求被測信號的AM噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于FM噪聲，而且要求頻譜分析儀的本底噪聲比被測信號的噪聲低，動態(tài)范圍大；(3)參考信號的噪聲特性從輸入RF信號轉(zhuǎn)換到中頻，在轉(zhuǎn)換過程中有可能引入新的噪聲，所以引入的噪聲可能淹沒被測信號的噪聲，使測得的結(jié)果為兩噪聲的疊加；(4)頻譜分析儀使用的是窄分辨率的帶寬，掃描時間較長，增加了時間跨度。如果被測信號在跨度時間內(nèi)的頻譜漂移大于分析儀總頻率跨度的1/20，那么測量結(jié)果誤差會很大，甚至不能得到正確的相位噪聲。2、差頻法·
利用差頻進(jìn)行相位噪聲測量有兩種方法一是差頻頻域分析法，就是用頻譜儀測量差頻信號的功率譜密度；二是差頻時域法，即差頻信號按不同采樣時間τ取平均，然后進(jìn)行不同的加權(quán)統(tǒng)計，使求得的方差僅反映在某一頻率點(diǎn)上的起伏量，再通過時域采樣求出譜密度8</0或\江)。3、鑒相法檢相法又稱為零拍法、有源法或雙源法，它作為一種靈敏度高的寬帶測量技術(shù)，得到廣泛的應(yīng)用。鑒相法用一只平衡混頻器作為鑒相器，將待測信號和同頻高穩(wěn)定參考信號分別加到平衡混頻器的兩輸入端。對加到鑒相器的兩個信號要求相位相差90°進(jìn)行測量，鑒相器輸出的噪聲電壓將正比于被測信號的相位起伏，它經(jīng)低通濾波器和低噪聲放大后加
到窄帶頻譜儀(S/N)上測量不同頻率f處的噪聲電平，經(jīng)校準(zhǔn)和修正后計算得到&￠/)和ζ⑴。鑒相方法分為單通道鑒相和雙通道鑒相。一般采用單通道鑒相法，為提高測量裝置的靈敏度可采用雙通道鑒相法。4、鑒頻法鑒頻法又稱無源法，它將待測源的頻率起伏變換為電壓起伏，再用頻譜分析儀測電壓的起伏量，從而實現(xiàn)相位噪聲測量。常用的頻率鑒頻器有延遲線/混頻式鑒頻器，RF橋/延遲線鑒頻器、腔體鑒頻器、雙延遲線鑒頻器等。各種鑒頻器有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如常用的腔體鑒頻器，鑒頻靈敏度很高，但帶寬很窄，往往是腔體中心頻率的1/1000 1/100，且只適用于微波段。5、高速AD采樣法無論是傳統(tǒng)模式的相位噪聲測量系統(tǒng)，還是交叉相關(guān)的相位噪聲測量系統(tǒng)，其測量裝置都是非常龐大的。隨著元器件制作工藝的不斷進(jìn)步和AD器件采樣速率的不斷提高，近年來出現(xiàn)了數(shù)字化取樣的相位噪聲測量系統(tǒng)，直接對待測信號進(jìn)行高速AD取樣，再由快速傅里葉變換得到待測信號的相位噪聲。與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)方案如圖I和圖2所示。該方案提出了一種基于等效鑒相頻率的相位噪聲測量方法。利用頻率信號間相位差周期性變化的規(guī)律，無需頻率歸一化便可完成相互間的線性相位比對。通過參差鑒相器獲取相位差信息，經(jīng)低通濾波及相關(guān)信號處理后得到參考源的壓控信號，進(jìn)而實現(xiàn)相位鎖定并在鎖定后提取被測信號的相位噪聲信息，然后送入頻譜分析儀從而實現(xiàn)了相位噪聲的高精度測量。該系統(tǒng)可以用一個參考源完成任意頻率信號的相位噪聲測量而且參考源的相位噪聲低，頻率穩(wěn)定度高，壓控范圍寬。實驗結(jié)果和分析表明了該系統(tǒng)設(shè)計的合理性和先進(jìn)性，與傳統(tǒng)相噪測量系統(tǒng)相比，具有測量精度高，電路結(jié)構(gòu)簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣泛的應(yīng)用和推廣價值。具體實驗方案如圖3所示。在基于等效鑒相頻率的相位噪聲測量方法中，對異頻鑒相信號的處理主要采用了脈沖平均及脈沖取樣的方法。信號經(jīng)環(huán)路濾波后，對相噪測量結(jié)果造成嚴(yán)重影響的主要是來自于最大公因子頻率的干擾。雖然可以通過降 低濾波器截止頻率的方法來改善相噪測量的結(jié)果，但終究不能從根本上解決這方面的技術(shù)問題——低的最大公因子頻率對相噪測量結(jié)果的影響。大量實驗證明，最大公因子頻率較高時，對相噪信號的影響較??；最大公因子頻率較低時對相噪信號的干擾比較嚴(yán)重。這主要是因為在相位噪聲提取電路中使用了一個低通濾波器，在不同頻鑒相時，兩頻率信號之間的最大公因子頻率可能比較低，很容易落在低通濾波器的截止頻率范圍內(nèi)。這樣，在進(jìn)行低通濾波時，原本表征相位噪聲的正脈沖寬度經(jīng)過低通取平均后，引入了最大公因子頻率的影響，使得低通濾波器的輸出信號在鎖定后不再是在一個平穩(wěn)電平上的噪聲起伏，而變成了附加在最大公因子頻率信號上的噪聲起伏。最大公因子頻率越低，這種趨勢越明顯，相比之下使得相位噪聲的起伏對輸出的影響十分微弱，測量起來非常困難。因此，必須采用合理的措施排除最大公因子頻率的干擾，才能得到有效攜帶相位噪聲信息的輸出信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是是在寬頻范圍內(nèi)實現(xiàn)快響應(yīng)時間及高分辨率的相位噪聲測量，推出相位處理新方法和相位噪聲測量新技術(shù)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種寬頻率范圍、快響應(yīng)時間及高分辨率的相位噪聲測量方法，首先，分別對被測信號和參考信號進(jìn)行調(diào)理和整形，通過調(diào)理使被測信號穩(wěn)定，通過整形使參考信號變?yōu)檫m合采樣的高頻脈沖；其次，將高頻參考脈沖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化移相，移相后的脈沖和原脈沖分別作為AD轉(zhuǎn)換器的時鐘對被測信號在過零處進(jìn)行密集采樣，恢復(fù)出相位重合及重合有偏差的信息，并對相位檢測信息進(jìn)行控制和處理；然后，將處理后的相位檢測信息作為開關(guān)信號去控制測量閘門，在相位重合點(diǎn)之間進(jìn)行高分辨率的無間隙門時測量，用門時長短的變化反映相位噪聲的大??；最終，將門時測量信息進(jìn)行處理，實現(xiàn)門時變化與相位噪聲轉(zhuǎn)換，顯示出被測信號的單邊帶相位噪聲功率譜密度曲線。所述的方法，所述方法具體包括以下步驟(I)將參考信號進(jìn)行整形，使之變?yōu)檫m合采樣寬度的高頻參考脈沖，然后將被測信號調(diào)理，主要是保持被測信號的穩(wěn)定性，避免輸入負(fù)載等寬范圍情況下輸出波形的不確定性；(2)將高頻參考脈沖作為AD轉(zhuǎn)換器的時鐘，對被測信號采樣，同時對高頻參考脈沖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化移相，移相后的高頻參考脈沖同樣作為AD轉(zhuǎn)換器的時鐘再次對被測信號進(jìn)行采樣，兩次采樣主要是針對被測量信號在過零處密集采集，目的是恢復(fù)出相位重合及重合有偏差的信息，保持相位重合點(diǎn)的檢測和閘門開啟時間，加快響應(yīng)時間；(3)將重合所得信息送入CPU，然后通過D觸發(fā)器，產(chǎn)生兩路閘門控制信號，第I路信號控制閘門11和閘門21，控制閘門11時通過計數(shù)器11獲得計數(shù)值Ntlll，控制閘門21時通過計數(shù)器21獲得計數(shù)值Nx21，第2路信號控制閘門12和閘門22，控制閘門12時通過計數(shù)器12獲得計數(shù)值Ntll2,控制閘門22時通過計數(shù)器22獲得計數(shù)值Nx22 ； (4)將測量所得的計數(shù)值Ntlll, Nx21, N012, Nx22送入CPU，給合基于FFT的門時變化與相位噪聲轉(zhuǎn)換算法，將時域計數(shù)值的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的相位噪聲。所述的方法，所述基于FFT的門時變化與相位噪聲轉(zhuǎn)換算法如下步驟I :根據(jù)開始測量所得的數(shù)據(jù)Ntlll, Nx21, N012, Nx22,對每個計數(shù)值采集N個計數(shù)值x(i)i = 0,2,…，N-I，任意計數(shù)值記為χ [η]，根據(jù)FFT算法，對N個點(diǎn)進(jìn)行FFT變換，
權(quán)利要求
1.一種寬頻率范圍、快響應(yīng)時間及高分辨率的相位噪聲測量方法，其特征在于，首先，分別對被測信號和參考信號進(jìn)行調(diào)理和整形，通過調(diào)理使被測信號穩(wěn)定，通過整形使參考信號變?yōu)檫m合采樣的高頻脈沖；其次，將高頻參考脈沖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化移相，移相后的脈沖和原脈沖分別作為AD轉(zhuǎn)換器的時鐘對被測信號在過零處進(jìn)行密集采樣，恢復(fù)出相位重合及重合有偏差的信息，并對相位檢測信息進(jìn)行控制和處理；然后，將處理后的相位檢測信息作為開關(guān)信號去控制測量閘門，在相位重合點(diǎn)之間進(jìn)行高分辨率的無間隙門時測量，用門時長短的變化反映相位噪聲的大??；最終，將門時測量信息進(jìn)行處理，實現(xiàn)門時變化與相位噪聲轉(zhuǎn)換，顯示出被測信號的單邊帶相位噪聲功率譜密度曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法具體包括以下步驟(I)將參考信號進(jìn)行整形，使之變?yōu)檫m合采樣寬度的高頻參考脈沖，然后將被測信號調(diào)理，主要是保持被測信號的穩(wěn)定性，避免輸入負(fù)載等寬范圍情況下輸出波形的不確定性；(2)將高頻參考脈沖作為AD轉(zhuǎn)換器的時鐘，對被測信號采樣，同時對高頻參考脈沖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化移相，移相后的高頻參考脈沖同樣作為AD轉(zhuǎn)換器的時鐘再次對被測信號進(jìn)行采樣，兩次采樣主要是針對被測量信號在過零處密集采集，目的是恢復(fù)出相位重合及重合有偏差的信息，保持相位重合點(diǎn)的檢測和閘門開啟時間，加快響應(yīng)時間；(3)將重合所得信息送入CPU，然后通過D觸發(fā)器，產(chǎn)生兩路閘門控制信號，第I路信號控制閘門11和閘門21，控制閘門11時通過計數(shù)器11獲得計數(shù)值Ntlll，控制閘門21時通過計數(shù)器21獲得計數(shù)值Nx21，第2路信號控制閘門12和閘門22，控制閘門12時通過計數(shù)器12獲得計數(shù)值Ntll2，控制閘門22時通過計數(shù)器22獲得計數(shù)值Nx22 ； (4)將測量所得的計數(shù)值Ntlll, Nx21, N012, Nx22送入CPU，給合基于FFT的門時變化與相位噪聲轉(zhuǎn)換算法，將時域計數(shù)值的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的相位噪聲。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于FFT的門時變化與相位噪聲轉(zhuǎn)換算法如下 步驟I :根據(jù)開始測量所得的數(shù)據(jù)Ntlll, Nx21, N012, Nx22，對每個計數(shù)值采集N個計數(shù)值x(i)i = 0,2,…，N-I，任意計數(shù)值記為X [η]，根據(jù)FFT算法，對N個點(diǎn)進(jìn)行FFT變換， X(k) = DFT[x(n)J = +式⑷ 其中，X(η)為N點(diǎn)有限長序列，X(k)為x(n)的離散傅里葉變換(DFT)，X1 (k)，X2 (k)為N/2點(diǎn)序列的DFT ； 步驟2 :如果i <= N，判斷i能否被2整除，如果能被2整除，根據(jù)算法
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬頻率范圍、快響應(yīng)時間及高分辨率的相位噪聲測量方法，首先，分別對被測信號和參考信號進(jìn)行調(diào)理和整形，通過調(diào)理使被測信號穩(wěn)定，通過整形使參考信號變?yōu)檫m合采樣的高頻脈沖；其次，將高頻參考脈沖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化移相，移相后的脈沖和原脈沖分別作為AD轉(zhuǎn)換器的時鐘對被測信號在過零處進(jìn)行密集采樣，恢復(fù)出相位重合及重合有偏差的信息，并對相位檢測信息進(jìn)行控制和處理；然后，將處理后的相位檢測信息作為開關(guān)信號去控制測量閘門，在相位重合點(diǎn)之間進(jìn)行高分辨率的無間隙門時測量，用門時長短的變化反映相位噪聲的大??；最終，將門時測量信息進(jìn)行處理，實現(xiàn)門時變化與相位噪聲轉(zhuǎn)換，顯示出被測信號的單邊帶相位噪聲功率譜密度曲線。
文檔編號G01R29/26GK102901880SQ201210281239
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者杜保強(qiáng), 周渭, 崔光照, 王延峰, 郭淑婷, 曹玲芝, 王卓亞, 李建軍 申請人:鄭州輕工業(yè)學(xué)院