CN102901880B - 一种宽频率范围、快响应时间及高分辨率的相位噪声测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频率范围、快响应时间及高分辨率的相位噪声测量方法，首先，分别对被测信号和参考信号进行调理和整形，通过调理使被测信号稳定，通过整形使参考信号变为适合采样的高频脉冲；其次，将高频参考脉冲进行标准化移相，移相后的脉冲和原脉冲分别作为AD转换器的时钟对被测信号在过零处进行密集采样，恢复出相位重合及重合有偏差的信息，并对相位检测信息进行控制和处理；然后，将处理后的相位检测信息作为开关信号去控制测量闸门，在相位重合点之间进行高分辨率的无间隙门时测量，用门时长短的变化反映相位噪声的大小；最终，将门时测量信息进行处理，实现门时变化与相位噪声转换，显示出被测信号的单边带相位噪声功率谱密度曲线。

Description

一种宽频率范围、快响应时间及高分辨率的相位噪声测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种宽频率范围、快响应时间及高分辨率的相位噪声测量方法。

背景技术

相位处理和相噪测量在基本频率源的特性、频率基标准的研究、应用及性能测试中具有重要意义。相位处理所采取的方法不仅决定了频率变换、锁相环的锁相精度及系统的复杂程度，而且还影响到了整个相位噪声测量设备的可行性和造价。近年来，随着晶体振荡器市场需求量的不断扩大，我国已成为位居世界第二的晶体振荡器生产大国，而且晶振生产技术水平较高，发展潜力很大，但基于晶体振荡器相位噪声测量这方面的技术及设备却很差，每年进口的检测设备价值总和接近1亿元人民币，国内的绝大多数用户不愿投资这类价格超过100万元的设备，因此对国内大量企事业单位的研发、生产造成了很大的限制，严重制约了我国在该领域的发展，同时也对多个与此相关的行业造成了不同程度的影响。除此之外，相位噪声也是频率源的更高端设备一原子频标的重要性能指标。目前，相位处理和相噪测量主要用于通讯、计量、电子工程、导航设备、仪器仪表等领域，以完成对频率源高精度单边带相位噪声的测量，而这方面的技术仍采用传统的相位处理技术，国内所使用的设备基本上是从国外进口。据统计，近20年来我国先后引进了大量HP3047/3048A、E5500系列、PN9000等型号的相位噪声测量系统，集中分布在航天、航空、电子、兵器、邮电、海军、总装等部门。这些进口设备不但价格昂贵，而且使用也不太方便。因此，急需寻找一种新的相位处理方法和相位噪声测量技术，从根本上改变我国在相位噪声测量及相关技术领域落后的状况。基于此，本发明提出一种宽频率范围、快响应时间及高分辨率的相位噪声测量新方法。该方法是一种完全不同于已有技术途径的新的相位处理方法，它从原理上突破了传统相位处理方法中必须同频才能鉴相的限制，使得相位处理变得更具有普遍意义。以此方法为基础的相位噪声测量系统可以做到用一个参考源，不必借助高精度的频率合成器便可完成任意频率信号的相噪测量而且参考源的相位噪声低，频率稳定度高，压控范围宽，与传统相位噪声测量方法相比，具有测量精度高，电路结构简单和成本低的优点。

宽频率范围、快响应时间及高分辨率的相位噪声测量方法不仅在相噪测量尤其是对信号源的单边带相噪测量方面具有广泛的应用前景，而且还为使用各种振荡器和原子频标的航空航天、导航定位、国防军工、仪器仪表、精密时频测控、雷达、天文及其它高科技领域提供对其关键的相噪测量方面的技术支持。同时，相噪测量仪器的发展水平也常常成为衡量一个国家测试水平和测试能力的重要标志，它能够带动和促进与此相关的多个领域的技术发展。从长远来看，这种新的相位噪声测量方法能够改善和提升我国在时频率测控领域的整体技术水平，因而具有十分重要的理论和现实意义。

目前常用的相位噪声测量方法有：直接频谱分析法、差频法、鉴相法、鉴频法和高速AD采样法等。

1、直接频谱分析法

直接频谱分析法就是用频谱分析仪直接测量相位噪声。它是一种测量相位噪声的简单、有效方法。它将待测频率源的输出直接接到频谱仪的输入端，调节频谱分析仪的中心频率和分辨率，从频谱分析仪显示结果上就可以观察到被测信号的粗略相位噪声。用频谱分析仪直接测量相位噪声有以下几个方面的限制：(1)频谱分析仪的本底噪声，即灵敏度。因为一般频谱分析仪器的本底噪声比较大，所以既不适用于测量低相位噪声的频率源，也不适用于测量偏离载频小于1KHz处的相位噪声；(2)频谱分析仪不能把幅度调制(AM)噪声与频率调制(FM)噪声区分开来，所测结果是一种组合噪声。为了精确地测量相位噪声，不仅要求被测信号的AM噪声远远小于FM噪声，而且要求频谱分析仪的本底噪声比被测信号的噪声低，动态范围大；(3)参考信号的噪声特性从输入RF信号转换到中频，在转换过程中有可能引入新的噪声，所以引入的噪声可能淹没被测信号的噪声，使测得的结果为两噪声的叠加；(4)频谱分析仪使用的是窄分辨率的带宽，扫描时间较长，增加了时间跨度。如果被测信号在跨度时间内的频谱漂移大于分析仪总频率跨度的1/20，那么测量结果误差会很大，甚至不能得到正确的相位噪声。

2、差频法

利用差频进行相位噪声测量有两种方法：一是差频频域分析法，就是用频谱仪测量差频信号的功率谱密度；二是差频时域法，即差频信号按不同采样时间τ取平均，然后进行不同的加权统计，使求得的方差仅反映在某一频率点上的起伏量，再通过时域采样求出谱密度或S_y(f)。

3、鉴相法

检相法又称为零拍法、有源法或双源法，它作为一种灵敏度高的宽带测量技术，得到广泛的应用。鉴相法用一只平衡混频器作为鉴相器，将待测信号和同频高稳定参考信号分别加到平衡混频器的两输入端。对加到鉴相器的两个信号要求相位相差90°进行测量，鉴相器输出的噪声电压将正比于被测信号的相位起伏，它经低通滤波器和低噪声放大后加到窄带频谱仪(S/N)上测量不同频率f处的噪声电平，经校准和修正后计算得到和ζ(f)。

鉴相方法分为单通道鉴相和双通道鉴相。一般采用单通道鉴相法，为提高测量装置的灵敏度可采用双通道鉴相法。

4、鉴频法

鉴频法又称无源法，它将待测源的频率起伏变换为电压起伏，再用频谱分析仪测电压的起伏量，从而实现相位噪声测量。常用的频率鉴频器有延迟线/混频式鉴频器，RF桥/延迟线鉴频器、腔体鉴频器、双延迟线鉴频器等。各种鉴频器有各自的优缺点，如常用的腔体鉴频器，鉴频灵敏度很高，但带宽很窄，往往是腔体中心频率的1/1000～1/100，且只适用于微波段。

5、高速AD采样法

无论是传统模式的相位噪声测量系统，还是交叉相关的相位噪声测量系统，其测量装置都是非常庞大的。随着元器件制作工艺的不断进步和AD器件采样速率的不断提高，近年来出现了数字化取样的相位噪声测量系统，直接对待测信号进行高速AD取样，再由快速傅里叶变换得到待测信号的相位噪声。

与本发明相关的技术方案如图1和图2所示。该方案提出了一种基于等效鉴相频率的相位噪声测量方法。利用频率信号间相位差周期性变化的规律，无需频率归一化便可完成相互间的线性相位比对。通过参差鉴相器获取相位差信息，经低通滤波及相关信号处理后得到参考源的压控信号，进而实现相位锁定并在锁定后提取被测信号的相位噪声信息，然后送入频谱分析仪从而实现了相位噪声的高精度测量。该系统可以用一个参考源完成任意频率信号的相位噪声测量而且参考源的相位噪声低，频率稳定度高，压控范围宽。实验结果和分析表明了该系统设计的合理性和先进性，与传统相噪测量系统相比，具有测量精度高，电路结构简单和成本低的优点，因而具有广泛的应用和推广价值。具体实验方案如图3所示。

在基于等效鉴相频率的相位噪声测量方法中，对异频鉴相信号的处理主要采用了脉冲平均及脉冲取样的方法。信号经环路滤波后，对相噪测量结果造成严重影响的主要是来自于最大公因子频率的干扰。虽然可以通过降低滤波器截止频率的方法来改善相噪测量的结果，但终究不能从根本上解决这方面的技术问题——低的最大公因子频率对相噪测量结果的影响。大量实验证明，最大公因子频率较高时，对相噪信号的影响较小；最大公因子频率较低时对相噪信号的干扰比较严重。这主要是因为在相位噪声提取电路中使用了一个低通滤波器，在不同频鉴相时，两频率信号之间的最大公因子频率可能比较低，很容易落在低通滤波器的截止频率范围内。这样，在进行低通滤波时，原本表征相位噪声的正脉冲宽度经过低通取平均后，引入了最大公因子频率的影响，使得低通滤波器的输出信号在锁定后不再是在一个平稳电平上的噪声起伏，而变成了附加在最大公因子频率信号上的噪声起伏。最大公因子频率越低，这种趋势越明显，相比之下使得相位噪声的起伏对输出的影响十分微弱，测量起来非常困难。因此，必须采用合理的措施排

除最大公因子频率的干扰，才能得到有效携带相位噪声信息的输出信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是是在宽频范围内实现快响应时间及高分辨率的相位噪声测量，推出相位处理新方法和相位噪声测量新技术。

本发明的技术方案如下：

一种宽频率范围、快响应时间及高分辨率的相位噪声测量方法，首先，分别对被测信号和参考信号进行调理和整形，通过调理使被测信号稳定，通过整形使参考信号变为适合采样的高频脉冲；其次，将高频参考脉冲进行标准化移相，移相后的脉冲和原脉冲分别作为AD转换器的时钟对被测信号在过零处进行密集采样，恢复出相位重合及重合有偏差的信息，并对相位检测信息进行控制和处理；然后，将处理后的相位检测信息作为开关信号去控制测量闸门，在相位重合点之间进行高分辨率的无间隙门时测量，用门时长短的变化反映相位噪声的大小；最终，将门时测量信息进行处理，实现门时变化与相位噪声转换，显示出被测信号的单边带相位噪声功率谱密度曲线。

所述的方法，所述方法具体包括以下步骤：(1)将参考信号进行整形，使之变为适合采样宽度的高频参考脉冲，然后将被测信号调理，主要是保持被测信号的稳定性，避免输入负载等宽范围情况下输出波形的不确定性；(2)将高频参考脉冲作为AD转换器的时钟，对被测信号采样，同时对高频参考脉冲进行标准化移相，移相后的高频参考脉冲同样作为AD转换器的时钟再次对被测信号进行采样，两次采样主要是针对被测量信号在过零处密集采集，目的是恢复出相位重合及重合有偏差的信息，保持相位重合点的检测和闸门开启时间，加快响应时间；(3)将重合所得信息送入CPU，然后通过D触发器，产生两路闸门控制信号，第1路信号控制闸门11和闸门21，控制闸门11时通过计数器11获得计数值N₀₁₁，控制闸门21时通过计数器21获得计数值N_X21，第2路信号控制闸门12和闸门22，控制闸门12时通过计数器12获得计数值N₀₁₂，控制闸门22时通过计数器22获得计数值N_X22；(4)将测量所得的计数值N₀₁₁，N_X21，N₀₁₂，N_X22送入CPU，给合基于FFT的门时变化与相位噪声转换算法，将时域计数值的变化转换成相应的相位噪声。

所述的方法，所述基于FFT的门时变化与相位噪声转换算法如下：

步骤1：根据开始测量所得的数据N₀₁₁，N_X21，N₀₁₂，N_X22，对每个计数值采集N个计数值x(i)i＝0，2，…，N-1，任意计数值记为x[n]，根据FFT算法，对N个点进行FFT变换，

$X\left(k\right)=\mathrm{DFT}\left[x\left(n\right)\right]=X_1\left(k\right)+W_N^k{X}_2\left(k\right)$ 式(4)

其中，x(n)为N点有限长序列，X(k)为x(n)的离散傅里叶变换(DFT)，X₁(k)，X₂(k)为N/2点序列的DFT；

步骤2：如果i＜＝N，判断i能否被2整除，如果能被2整除，根据算法

$X_1(\frac{N}{2}+k)=\underset{r=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1\left(r\right)W_{N/2}^{r(\frac{N}{2}+k)}=\underset{r=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1\left(r\right)W_{N/2}^{\mathrm{rk}}=X_1\left(k\right)$ 式(5)

$X_2(\frac{N}{2}+k)=X_2\left(k\right)$ 式(6)

前半部分： $X\left(k\right)=X_1\left(k\right)+W_N^k{X}_2\left(k\right),k=\mathrm{0,1},\·\·\·\frac{N}{2}-1$ 式(7)

后半部分： $X(k+\frac{N}{2})=X_1(k+\frac{N}{2})+W_N^{(k+\frac{N}{2})}{X}_2(k+\frac{N}{2})$

$=X_1\left(k\right)-W_N^k{X}_2\left(k\right),k=\mathrm{0,1},\·\·\·,\frac{N}{2}-1$ 式(8)

如果不能被2整除，则x(i)＝-x(i)，i自动增加1个单位，然后根据赋值语句i＝i+1，将增加后值再赋给i，这里i是一个变量；之后，继续进行步骤2的操作；

步骤3：如果i＞N，则直接运用步骤1算法对N个点进行FFT变换，FFT变换的结果就是被测量信号的单边带相位噪声。

相位噪声测量系统一直被认为是高技术的、能够代表国家在电子测量仪器水平的设备及技术，而这一技术却一直被国外所垄断。本发明的提出可以打破国外一直对相位噪声测量系统技术的垄断，能够广泛地应用于高稳定度的不同频率源和星载钟的相位噪声测量，并解决这方面的关键测量问题，这样，不仅有利于提高频率源的频域和时域稳定度，并且能够保证相应整机和系统的整体技术指标，从而形成我国自主知识产权的相噪测量技术，降低这类仪器的成本，促进我国通讯、雷达、频率控制、仪器仪表等行业的迅速发展，预计初步可以达到2亿元的经济效益。

本发明所研制的相位噪声测量系统，体积功耗小，测量精度高，电磁辐射量和噪声指标均低于国家标准，不会对工作及周围环境造成污染。

附图说明

图1基于等效鉴相频率的锁相环；

图2基于等效鉴相频率的相位噪声设计方案；

图3基于等效鉴相频率的相位噪声实验方案；

图4本发明宽频、快速及高分辨率的相位噪声测量方法技术实现路线；

图5本发明宽频、快速及高分辨率的相位噪声测量方法实施方案；

图6本发明基于FFT的门时变化与相位噪声转换算法流程图；

图7本发明基于群相位规律的相位噪声曲线；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

本发明的技术路线如图4所示。首先，分别对被测信号和参考信号进行调理和整形，通过调理使被测信号稳定，通过整形使参考信号变为适合采样的高频脉冲；其次，将高频参考脉冲进行标准化移相，移相后的脉冲和原脉冲分别作为AD转换器的时钟对被测信号在过零处进行密集采样，恢复出相位重合及重合有偏差的信息，并对相位检测信息进行控制和处理；然后，将处理后的相位检测信息作为开关信号去控制测量闸门，在相位重合点之间进行高分辨率的无间隙门时测量，用门时长短的变化反映相位噪声的大小；最终，将门时测量信息进行处理，实现门时变化与相位噪声转换，显示出被测信号的单边带相位噪声功率谱密度曲线。

具体实验方案如图5所示。测量过程包括以下步骤：(1)将参考信号进行整形，使之变为适合采样宽度的高频参考脉冲，然后将被测信号调理，主要是保持被测信号的稳定性，避免输入负载等宽范围情况下输出波形的不确定性；(2)将高频参考脉冲作为AD转换器的时钟，对被测信号采样，同时对高频参考脉冲进行标准化移相，移相后的高频参考脉冲同样作为AD转换器的时钟再次对被测信号进行采样，两次采样主要是针对被测量信号在过零处密集采集，目的是恢复出相位重合及重合有偏差的信息，保持相位重合点的检测和闸门开启时间，加快响应时间；(3)将重合所得信息送入CPU，然后通过D触发器，产生两路闸门控制信号(这些闸门控制信号均是由高频参考脉冲和移相后的高频参考脉冲分别与被测信号所形成的)，第1路信号控制闸门11和闸门21，控制闸门11时通过计数器11获得计数值N₀₁₁，控制闸门21时通过计数器21获得计数值N_X21，第2路信号控制闸门12和闸门22，控制闸门12时通过计数器12获得计数值N₀₁₂，控制闸门22时通过计数器22获得计数值N_X22。(4)将测量所得的计数值N₀₁₁，N_X21，N₀₁₂，N_X22送入CPU，给合基于FFT的门时变化与相位噪声转换算法，将时域计数值的变化转换成相应的相位噪声。

结合图6所示流程图，基于FFT的门时变化与相位噪声转换算法如下：

步骤1：根据开始测量所得的数据N₀₁₁，N_X21，N₀₁₂，N_X22，对每个计数值采集N个计数值x(i)i＝0，2，…，N-1，任意计数值记为x[n]，根据FFT算法，对N个点进行FFT变换，

$X\left(k\right)=\mathrm{DFT}\left[x\left(n\right)\right]=X_1\left(k\right)+W_N^k{X}_2\left(k\right)$ 式(4)

其中，x(n)为N点有限长序列，X(k)为x(n)的离散傅里叶变换(DFT)，X₁(k)，X₂(k)为N/2点序列的DFT。

步骤2：如果i＜＝N，判断i能否被2整除，如果能被2整除，根据算法

$X_1(\frac{N}{2}+k)=\underset{r=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1\left(r\right)W_{N/2}^{r(\frac{N}{2}+k)}=\underset{r=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1\left(r\right)W_{N/2}^{\mathrm{rk}}=X_1\left(k\right)$ 式(5)

$X_2(\frac{N}{2}+k)=X_2\left(k\right)$ 式(6)

前半部分： $X\left(k\right)=X_1\left(k\right)+W_N^k{X}_2\left(k\right),k=\mathrm{0,1},\·\·\·\frac{N}{2}-1$ 式(7)

后半部分： $X(k+\frac{N}{2})=X_1(k+\frac{N}{2})+W_N^{(k+\frac{N}{2})}{X}_2(k+\frac{N}{2})$

$=X_1\left(k\right)-W_N^k{X}_2\left(k\right),k=\mathrm{0,1},\·\·\·,\frac{N}{2}-1$ 式(8)

如果不能被2整除，则x(i)＝-x(i)，i自动增加1个单位，然后根据赋值语句i＝i+1，将增加后值再赋给i，这里i是一个变量。之后，继续进行步骤2的操作。

步骤3：如果i＞N，则直接运用步骤1算法对N个点进行FFT变换，FFT变换的结果就是被测量信号的单边带相位噪声。

在实际的门时数据和相位噪声转换中，FFT频域部分的实部和虚部是分开表示的，取FFT变换结果的模，即可得到频域的幅度，再将幅度变化为功率分贝的表现形式，就能得到单边带相位噪声曲线。

根据上述步骤，得出实验结果如下：

对10MHz恒温晶体振荡器进行相位噪声测量，采用基于FFT的快速测量模式，用于验证基于FFT的门时变化与相位噪声转换算法的效果，图7为在基于FFT的门时变化与相位噪声转换算法下的单边带相位噪声测量曲线，横坐标表示频率，单位Hz，纵坐标表示噪声大小，单位dBc。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种宽频率范围、快响应时间及高分辨率的相位噪声测量方法，其特征在于，首先，对被测信号进行调理，参考信号进行整形，通过调理使被测信号稳定，通过整形使参考信号变为适合采样的高频参考脉冲；其次，将高频参考脉冲进行标准化移相，移相后的脉冲和原脉冲分别作为AD转换器的时钟对被测信号在过零处进行密集采样，恢复出相位重合及重合有偏差的信息，并对相位检测信息进行控制和处理；然后，将处理后的相位检测信息作为开关信号去控制测量闸门，在相位重合点之间进行高分辨率的无间隙门时测量，用门时长短的变化反映相位噪声的大小；最终，将门时测量信息进行处理，实现门时变化与相位噪声转换，显示出被测信号的单边带相位噪声功率谱密度曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：(1)将参考信号进行整形，使之变为适合采样宽度的高频参考脉冲，然后将被测信号调理，主要是保持被测信号的稳定性，避免输入负载在宽范围情况下输出波形的不确定性；(2)将高频参考脉冲作为AD转换器的时钟，对被测信号采样，同时对高频参考脉冲进行标准化移相，移相后的高频参考脉冲同样作为AD转换器的时钟再次对被测信号进行采样，两次采样主要是针对被测信号在过零处密集采集，目的是恢复出相位重合及重合有偏差的信息，保持相位重合点的检测和闸门开启时间，加快响应时间；(3)将重合所得信息送入CPU，然后通过D触发器，产生两路闸门控制信号，第1路信号控制闸门11和闸门21，控制闸门11时通过计数器11获得计数值N₀₁₁，控制闸门21时通过计数器21获得计数值N_X21，第2路信号控制闸门12和闸门22，控制闸门12时通过计数器12获得计数值N₀₁₂，控制闸门22时通过计数器22获得计数值N_X22；(4)将测量所得的计数值N₀₁₁，N_X21，N₀₁₂，N_X22送入CPU，给合基于FFT的门时变化与相位噪声转换算法，将时域计数值的变化转换成相应的相位噪声。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于FFT的门时变化与相位噪声转换算法如下：

步骤1：根据开始测量所得的数据N₀₁₁，N_X21，N₀₁₂，N_X22，对每个计数值采集N个计数值x(i)i＝0，2，...，N-1，任意计数值记为x[n]，根据FFT算法，对N个点进行FFT变换，

$X\left(k\right)=\mathrm{DFT}\left[x\left(n\right)\right]=X_1\left(k\right)+W_N^k{X}_2\left(k\right)$    式(4)

其中，x(n)为N点有限长序列，X(k)为x(n)的离散傅里叶变换(DFT)，X₁(k)，X₂(k)为N/2点序列的DFT；

步骤2：如果i≤N，判断i能否被2整除，如果能被2整除，根据算法

$X_1(\frac{N}{2}+k)=\underset{r=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1\left(r\right)W_{N/2}^{r(\frac{N}{2}+k)}=\underset{r=0}{\overset{\frac{N}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1\left(r\right)W_{N/2}^{\mathrm{rk}}=X_1\left(k\right)$    式(5)

$X_2(\frac{N}{2}+k)=X_2\left(k\right)$     式(6)

前半部分： $X\left(k\right)=X_1\left(k\right)+W_N^k{X}_2\left(k\right),k=\mathrm{0,1},\·\·\·\frac{N}{2}-1$    式(7)

后半部分： $X(k+\frac{N}{2})=X_1(k+\frac{N}{2})+W_N^{(k+\frac{N}{2})}{X}_2(k+\frac{N}{2})$

$=X_1\left(k\right)-W_N^k{X}_2\left(k\right),k=\mathrm{0,1},\·\·\·,\frac{N}{2}-1$    式(8)

如果不能被2整除，则x(i)＝-x(i)，i自动增加1个单位，然后根据赋值语句i＝i+1，将增加后值再赋给i，这里i是一个变量；之后，继续进行步骤2的操作；

步骤3：如果i＞N，则直接运用步骤1算法对N个点进行FFT变换，FFT变换的结果就是被测量信号的单边带相位噪声。