CN102768302A - 一种双通道数字化相位噪声检测装置及相位噪声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双通道数字化相位噪声测量装置及相位噪声检测方法，通过对输入1MHz至100MHz正弦信号进行功分移相后，利用双通道正交采样及数字信号处理技术，实现相位噪声的实时提取，解决了传统的测量方法中需要对傅里叶频率校准及定标等测试环节，也不需要与待测源同频率、正交的参考源，选用一个固定的参考源，即可实时、准确测量待测源与参考源的相位差。

Description

一种双通道数字化相位噪声检测装置及相位噪声检测方法

技术领域

本发明涉及噪声检测装置，特别是涉及一种双通道数字化相位噪声测量装置及相位噪声检测方法，应用于导航定位、雷达系统等对振荡源要求较高的相位噪声测试领域。

背景技术

目前市场上的相位噪声测量装置主要包括引进的HP3047A、HP3048A、E5500系列及PN9000等，这些测量装置以模拟技术为主，其组成主要包括检相器、锁相环路、低噪声放大器、数据采集和计算机。

相位噪声对通信系统或雷达系统的性能影响至关重要，它限制了导航定位的精度，减小了雷达的作用范围，降低了通信系统的数据传输质量，因此，将一个振荡源集成到这些系统前，首先要对其相位噪声指标进行精确测量。

常用的装置存在以下问题：1）直接用频谱仪搭建的测试系统，缺点是：频谱仪内部本振的相位噪声限制测量系统的噪声底部，此外，由于频谱仪无法区分振幅噪声与相位噪声，因此，当振幅噪声与相位噪声相比较大时，将导致测量结果错误；2）双混频电路或延迟线测试系统，缺点是：需要一个与待测源同频率的高精度参考源，此外，需要对傅立叶频率进行校正，操作复杂，不能实时检测；3）基于单振荡源鉴频技术，缺点是：由于采用了调频噪声检测而非调相噪声检测技术，造成系统相位噪声本底较大，尤其是在近载频处相位本底噪声大。

发明内容

为改善以上现有技术的不足，本发明提出一种双通道正交数字化相位噪声测量装置及相位噪声检测方法，以解决高精度振荡源相位噪声的实时、准确测量问题。该装置采用模块化设计方法，使系统升级便利、性能可靠。与传统测试方法相比，不需要对傅立叶频率进行校正、定标等操作，解决了传统方法要求与待测源同频率、正交的参考源，选用一个高精度的参考源，即可准确测量较宽频率范围的待测信号。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种双通道数字化相位噪声检测装置，该装置包括：

90°功分模块，本振模块，对输入信号的同相分量进行采样的A/D采样模块3A，对输入信号的正交分量进行采样的A/D采样模块3B，下变频单元和相位解调模块，所述90°功分模块的两输出端分别与A/D采样模块3A、A/D采样模块3B的输入端连接，所述本振模块分别与A/D采样模块3A和A/D采样模块3B的另一输入端连接以提供时钟信号，所述A/D采样模块3A、A/D采样模块3B和本振模块的信号输出给下变频单元，该下变频单元对信号进行变频、降采样率及滤波处理，所述处理的信号输出至相位解调模块9。

进一步，所述下变频单元包括数字频综模块4A、4B、数字混频器5A、5B和抽取滤波模块7A、7B、8A、8B以实现对输入的数字化信号的变频、降采样率及滤波处理；其中相互连接的数字频综模块4A、数字混频器(5A)和抽取滤波模块（7A）构成第一下变频单元；相互连接的数字频综模块（4A）、数字混频器(6A)和抽取滤波模块（8A）构成第二下变频单元；相互连接的数字频综模块（4B）、数字混频器(5B)和抽取滤波模块（7B）构成第三下变频单元；相互连接的数字频综模块（4B）、数字混频器(6B)和抽取滤波模块（8B）构成第四下变频单元。

一种双通道数字化相位噪声检测方法，该方法包括如下步骤：

1）将输入的1MHz至100MHz的待测信号输入至90°功分模块进行处理，得到与输入信号同相和正交的两路信号，该同相和正交信号分别由采样模块根据本振时钟信号进行采样；

2）对采样后的同相I分量和正交Q分量分别与DDS输出信号进行混频，利用科斯塔斯环路实现数字下变频处理；

3）将经过下变频处理的信号输入至相位解调模块进行处理，得到待测信号与本振信号的相位差；

4)将待测信号换成参考源，重复上述步骤1-3，得到参考源与本振信号的相位差；

5）将步骤3与步骤4得到的两次相位差相减，得到待测信号与参考源的相位差。

本发明的优点在于：

1、全数字化测试系统不需要与待测源同频、正交的参考源，因此，输入频率可覆盖1-100MHz范围任意频点，能实现近载频相位噪声的测量；

2、数字滤波器，特性固定，不需要相位检波校准和低噪声放大器，使系统测量不确定度减小；

3、省去了定标、锁定等测试环节，通过几个按键操作，即得到实时测量结果，操作简易、测量装置性价比高。

附图说明

图1：一种双通道数字化相位噪声检测装置的结构原理图。

具体实施方式

如图1所示为一种双通道数字化相位噪声检测装置的结构原理图，该装置主要包括：90°功分模块1，本振模块2，对信号源的同相分量进行采样的A/D模块3A，对信号源的正交分量进行采样的A/D采样模块3B，数字频综4A（DDS1）和4B（DDS2），信号源同相分量数字混频器5A和5B，信号源正交分量数字混频器6A和6B，信号源同相分量数字通道抽取滤波器7A和7B，信号源正交分量数字通道抽取滤波器8A和8B，相位差信号解调提取模块9，计算机图形界面结果显示10等。

所述90°功分模块1完成对输入信号的自动增益，以提高接收信号的动态范围，并生成两路相互正交的信号分别送入两路高分辨率A/D采样模块3A和3B进行采样处理；本振模块2作为A/D采样模块3A和3B的时钟输入源，由倍频及滤波电路组成，由于采样率较高，时钟的相位抖动会引起整个数字采样的信噪比下降，因此，对时钟倍频电路进行滤波，以减少采样时钟的抖动；采样模块3A和3B将90°功分模块1输出的两路正交信号进行采样，得到与输入信号同相及正交的两路采样信号，A/D采样的有效位数对输入时钟的抖动非常敏感，造成采样时的孔径误差，采用同相、正交双通道采样方法，使得整个采样期间，每当其中一个通道采样信号质量差时，同一时刻另一个通道必能提供高质量采样信号，能更加精确地表示采样时钟的抖动造成的孔径误差。

所述数字混频器5A、5B、6A、6B，数字频综模块4A、4B，抽取滤波单元7A、7B、8A、8B等部分分别组成4个数字可编程下变频单元。其中相互连接的数字频综模块（4A）、数字混频器(5A)和抽取滤波模块（7A）构成下变频单元1；相互连接的数字频综模块（4A）、数字混频器(6A)和抽取滤波模块（8A）构成下变频单元2；相互连接的数字频综模块（4B）、数字混频器(5B)和抽取滤波模块（7B）构成下变频单元3；相互连接的数字频综模块（4B）、数字混频器(6B)和抽取滤波模块（8B）构成下变频单元4。四个下变频单元分别完成量化信号的变频、降采样率及滤波等处理，对不同频段的信号采用不同的抽样率，从而避免抽样率过高而造成数据的冗余，得到下变频到零中频的低采样率输出信号。相位解调模块9由数字信号处理器实现，完成基带信号相位噪声解调算法及频偏补偿算法；最后，相位解调数据通过PCI接口输出到x86计算机10进行结果显示。

下面对双通道数字化相位噪声测量方法进行说明，该方法的具体步骤为：

1.对输入待测信号进行双通道、高速、高分辨率数字化采样

带宽为2MHz，覆盖1MHz至100MHz范围的输入信号经过模拟电路放大、增益控制、抗混叠带通滤波后，根据本振时钟信号对输入的模拟进行采样，由于测量时仪器的本底噪声抵消，因此，A/D数字化时的噪声造成了测量系统的噪声极限，采取差分输入，低压差分输出模式，然后利用90°功分模块将待测信号分为与输入信号同相（I通道）及正交（Q通道）的双通道信号进行采样，可大幅提高A/D采样的信噪比。

2.利用可编程逻辑器件对采样信号进行数字下变频处理

采样后的数字信号与本振信号的同相I分量和正交Q分量分别进行混频，利用科斯塔斯环路实现数字下变频，以利于数字信号处理器进行实时计算。对输入信号频率进行捕获和跟踪，对不同频段的信号采用不同的抽样率，从而避免抽样率过高而造成数据的冗余。抽取滤波时，采用CIC滤波及HB滤波级联实现第一级抽取，然后利用FIR滤波进行低通滤波和抽取，根据输入信号配置相应的抽取参数。

3.待测信号与本振信号相位差的解调

第一路AD通道的采样信号与DDS1输出混频、滤波后产生的信号为I_1A、Q_1A，第二路AD通道的采样信号与DDS2混频、滤波后产生的信号为I_1B、Q_1B，计算

得到待测信号与本振信号相位差。DDS相当于一个数字锁相环，通过重复不断地鉴别输入与输出之间的本振相位差异，从而不断调整输出信号的频率，最终复制出与输入信号相位差恒定的信号，即达到锁定状态。锁定状态时，数字环路滤波的鉴相结果可以近似为一条直线。当数字频综锁定到待测信号时所产生的线性漂移项将影响相位噪声的提取，因此，将待测信号与本振的相位差进行最小二乘拟合后将测量值减去直线成分，剩余成分即为待测源的包含了A/D采样噪声和时钟本底噪声的随机相位噪声。

4．待测源与参考源相位差解调

将输入的待测信号换成参考源重复上面的第一步至第三步，可得到参考源的包含了采样噪声和时钟本底噪声的随机相位，将两次得到的随机相位相减，可消掉仪器的本底噪声，得到待测信号与参考信号的相位差信号，进行傅立叶变换可求得相位噪声功率谱密度及单边带相位噪声。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种双通道数字化相位噪声检测装置，其特征在于，该装置包括：

90°功分模块（1），本振模块（2），对输入信号的同相分量进行采样的A/D采样模块（3A），对输入信号的正交分量进行采样的A/D采样模块（3B），下变频单元和相位解调模块（9），所述90°功分模块的两输出端分别与A/D采样模块（3A）、A/D采样模块（3B）的输入端连接，所述本振模块分别与A/D采样模块（3A）和A/D采样模块（3B）的另一输入端连接以提供时钟信号，所述A/D采样模块（3A）、A/D采样模块（3B）和本振模块的信号输出给下变频单元，该下变频单元对信号进行变频、降采样率及滤波处理，所述处理的信号输出至相位解调模块（9）。

2.根据权利要求1所述的一种双通道数字化相位噪声检测装置，其特征在于，所述下变频单元包括数字频综模块（4A、4B）、数字混频器（5A、5B）和抽取滤波模块（7A、7B、8A、8B）以实现对输入的数字化信号的变频、降采样率及滤波处理；其中相互连接的数字频综模块（4A）、数字混频器(5A)和抽取滤波模块（7A）构成第一下变频单元；相互连接的数字频综模块（4A）、数字混频器(6A)和抽取滤波模块（8A）构成第二下变频单元；相互连接的数字频综模块（4B）、数字混频器(5B)和抽取滤波模块（7B）构成第三下变频单元；相互连接的数字频综模块（4B）、数字混频器(6B)和抽取滤波模块（8B）构成第四下变频单元。

3.一种双通道数字化相位噪声检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）将输入的1MHz至100MHz的待测信号输入至90°功分模块进行处理，得到与输入信号同相和正交的两路信号，该同相和正交信号分别由采样模块根据本振时钟信号进行采样；

2）对采样后的同相I分量和正交Q分量分别与DDS输出信号进行混频，利用科斯塔斯环路实现数字下变频处理；

3）将经过下变频处理的信号输入至相位解调模块进行处理，得到待测信号与本振信号的相位差；

4)将待测信号换成参考源，重复上述步骤1-3，得到参考源与本振信号的相位差；

5）将步骤3与步骤4得到的两次相位差相减，得到待测信号与参考源的相位差。

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