CN103487669A - 基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法。该测量方法将参考信号和被测信号进行相位重合点检测，然后对相位重合点检测部分的重合点进行有效的捕捉，通过对重合点之间的频率值进行测量，同时记录重合脉冲簇中脉冲丢失的位置，闸门内计数值的起伏变化及脉冲丢失位置可以反映相位噪声的变化。这里通过对闸门内计数值变化的分析可以得到近载频的相位噪声，对相位重合簇内脉冲丢失的情况进行分析可以得到远载频的相位噪声。最后由计算机数据处理和离散傅立叶变化算法来计算单边带相位噪声。此方法具有测量精度高，测量范围宽等优点。

Description

基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法

技术领域

本发明属于相位噪声测量领域，尤其涉及到基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法。

背景技术

相位噪声是许多现代电子系统和设备包括测控、雷达、通信、导航、射电天文、电子测量和近代物理实验等的一项重要技术指标和关键性技术问题，通过相位噪声的表征和测试的研究，找到影响频率稳定性的因素，可应用于频率源的设计和质量的保证。频率源相位噪声的要求常常是整个系统的限制因素。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。目前，这方面的技术仍采用传统的相位处理技术，这方面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。传统相位处理方法和相噪测量方法主要用于锁相环、相位处理装置及高精度振荡器的单边带相位噪声等的测量。这样的相噪测量的系统具有一个明显的缺点，那就是其测量装置非常庞大和复杂，而且参考源必须与待测源同频，不但电路结构复杂，价格昂贵，而且其本身的噪声也对相噪测量的精度造成影响。

近年来，国外在相噪测量技术的发展一方面是从线路上改进，另一方面是从算法上进行优化。比较典型的新技术就是利用高速A/D变换器，将待测信号和参考信号转化为数字信号，用数字信号处理的方法进行相位噪声的测量。优点是系统不需要锁相环和复杂的环路修正，采用的数字滤波器可以有相当高的平坦度，不需要单独校准。缺点是相噪测量系统受A/D取样速率的限制，测量输入频率的带宽较窄，尽管采用互相关处理，但在测量高稳晶振时，仍受底部的限制。

这里，无论采用哪些算法或改进方法都是建立在同频或者对频率关系有一定要求的鉴相的基础之上；有频率差别的信号只能通过频率变换的方法才能进行处理。因此，如果在宽频率范围内完成测量中所必须的相位比对就必须结合使用高精度的频率合成器。这样，不但设备复杂，而且在各变换环节容易引入合成线路的附加误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法，与传统相位噪声测量方法相比，具有测量精度高，测量范围宽等优点。

本发明测量仪器主要包括低相噪信号源部分、DDS和晶体滤波部分、信号调理部分、相位重合点检测和频率测量部分（或者并行的对达到重合触发限的重合脉冲的计数器）、软件处理算法、信号处理及显示部分。通过信号调整部分对参考源信号进行整形放大、频率变换，适时的通过控制器调整控制进行调频和调相。经过DDS或者手动调整参考信号的频率，使得参考信号与被测信号达到所需要的频差。将参考信号和被测信号进行相位重合点检测。这就需要相位重合点检测部分对重合点进行有效的捕捉，通过对重合点之间的频率值进行测量，同时记录重合脉冲簇中脉冲丢失的位置，闸门内计数值的起伏变化及脉冲丢失位置可以反映相位噪声的变化。这里通过对闸门内计数值变化的分析可以得到近载频的相位噪声，对相位重合簇内脉冲丢失的情况进行分析可以得到远载频的相位噪声。最后由计算机数据处理和离散傅立叶变化算法来计算单边带相位噪声。

本发明利用了两路频率信号之间的相位重合点的检测，第一路通过对闸门内计数值变化的分析来得到近载频的相位噪声，第二路通过对相位重合簇内脉冲丢失的情况进行分析来得到远载频的相位噪声。

通过对被测信号进行粗测，根据粗测结果设置DDS，由于这里的DDS的窄带特性，使得DDS输出的信号可以选择不同中心频率的晶体滤波器，同时根据设置的分频比，使得参考信号和被测信号形成一定的关系进行相位重合检测，通过和上位机之间的通信来进行相关的采集信息设置。

根据上位机设置的信息，第一路相位重合检测用于对闸门内被测信号f_x和参考信号f₀进行计数，并将计数的结果N₀和N_x通过串口传输到上位机进行处理和显示；

第二路相位重合检测用于对相位重合簇内脉冲丢失的位置i进行记录，并将结果通过串口传输到上位机进行处理和显示。

其中第一路的实现方法如下：

根据上位机设置的信息，通过对参考频率f₀和被测频率f_x进行重合检测形成实际闸门，对闸门内的f₀和f_x进行N次测量可得到N个N₀和N_x值，其中N₀和N_x分别为闸门内f₀和f_x的计数值；由于噪声的存在，使得各个闸门内的计数值不一致，通过计数值的起伏变化来反映相位噪声的变化，由N₀T₀=N_xT_x，可计算得到N个T_x,f_x值，即可得到

其中

将

当作被测信号的准确值，则可得到每个闸门内的周期抖动：

则闸门内的相位抖动为：

通过对

进行时域到频域的转换可得到信号的近端单边带相位噪声。

其中第二路的实现方法如下：

根据上位机设置的信息，通过对参考频率f₀和被测频率f_x进行重合检测，由于器件的分辨率有限，使得重合点附近出现了一簇的重合脉冲；在明显存在噪声的情况下，该脉冲的包络内会因为噪声的问题导致在一些本应该有重合检出的窄脉冲波型的地方因为相位差值的增大而没有被检出的信号，所以在对相位重合簇的计数中，会由于噪声情况不同，从而引起计数的结果也不同，那么就可以建立计数值和相噪情况的函数关系；由于被测信号与参考信号成倍数有一定的频差，则相位差是单调步进的，且步进值为：

其中，f_equ：等效鉴相频率；f_maxc：最大公因子频率；在位置i处的相位差值为i×ΔT，根据脉冲丢失的位置i可得到i处的相位抖动则脉冲未丢失位置的相位抖动

将转换到频域即可得到信号的远端单边带相位噪声。

结合以上得到的近端和远端的相位抖动信息，将其通过离散傅立叶变化算法转换到频域，即可得到完整的单边带相位噪声曲线。由于相位抖动

的自相关函数与相位噪声的谱密度

是一对傅里叶变换对，对进行自相关并进行傅里叶变换可得到相位噪声的谱密度

在小角度调制条件下，由可得到单边带相位噪声。

本发明将不同频率可相位处理的基本原理应用于相噪测量，通过相位重合点之间的相位起伏变化，在MCU的控制下直接反映被测信号的相位噪声，这在相噪测量领域是一个新的突破，它不再是单纯依靠线路及生产工艺的改进来提高相位处理和相噪测量的精度，而是利用周期信号群之间相位差变化的规律性以及这些规律对噪声的反映，把这些规律和特性应用于测量中。

本发明基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法，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理论，使得相位处理变得更具有普遍意义。以此理论为基础的相位噪声测量可以做到用一个固定参考源，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，与传统相位噪声测量方法相比，具有测量精度高，测量范围宽等优点。

附图说明

图1是本发明基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方案框图。

图2是补充方案框图。

图3是实施过程的流程图。

图4本系统测得100MHz晶振SOXO13FF100MDSGU自校的相位噪声图。

图5本系统测得低相噪5MHz晶振的相位噪声图。

图6本系统测得E8257C产生的2GHz信号128分频后的相位噪声图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在图1中，显示了基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方案框图，采用了高分辨率、宽频率范围的测量方法关于快响应时间的问题，直接按照图1的方法测量的闸门时间只能从10ms到1秒以上。为了获得更短的测量门时，采用了由DDS进行频差控制情况下，通过比对信号间的相位重合簇中达到触发限的计数值的平稳情况来分析信号中的相位噪声和稳定度的状况。相位重合簇的构成是由信号间（具有特殊的频率关系）的相位状况小于一定数值时会通过重合检测线路的可分辨处理就得到这个簇。如果被测信号的噪声可以忽略不计，这个相位重合簇包络规则，其内无空洞。但是在明显存在噪声的情况下，在该包络之内会因为噪声的问题导致在一些本应该有重合检出的窄脉冲波型的地方因为相位差值的增大而没有被检出的信号。所以在对相位重合簇的计数中，会由于噪声情况不同，从而引起计数的结果也不同。那么就可以建立计数值和相噪情况的函数关系。空洞发生在相位重合簇的斜边上的情况更多一些。而且由于两个频率信号间相位差的步进现象，利用尽可能小的ΔT[采用针对被测信号的合理DDS跟踪，以及由于这样的频率关系导致了固有的量化相位差的步进值ΔT-它和噪声的影响相比处于次要状态，所以和噪声的叠加效果往往噪声在一定的相位差变化区域的重合检测的结果会决定“重合”信息的有（“1”）和无（“0”）]，使得检出的“相位重合簇”内信号间的相位差的步进很平稳。这样，由于信号本身的噪声引起其相位抖动，也就导致原本对相位重合检测背景相近的情况下会由于噪声使得信号间的相位状况明显的起伏变化导致本来应该连续在一起的重合脉冲中有一些因为相位差大于检测线路分辨率边沿稳定度的范围，因而被丢失。丢失重合信号的位置所代表的相位起伏变化的幅度效果是不同的。从起点处每向里延伸一个信号的周期，就有了一个ΔT的相位差的接近（因此确定重合线路进入可检出重合信息的边沿区的起点-即模糊边沿，是很重要的）。这样也就为我们分析相噪指标提供了依据。此时，对于重合脉冲的计数要求更高了。因为此时不但要计数，同时也需要知道可计数和不能触发计数的状况在“相位重合簇”内的时间轴上的位置。而且这样的分析可以根据检测到的数据的延伸，覆盖毫秒、100微秒、10微秒一直到微秒（甚至100ns）采样时间的时域和可转换的频域信息。

图2中，显示的是补充方案框图，主要是针对（相同或特定的频率的）频标信号间在特定的相位差状态下通过测量直接得到信号间的相位差变化量。方案中并没有复杂的频率变换等，所以会更有助于低噪声情况下的测量。这是采用了相同频率标称值信号之间建立相位相关性之后，将两个信号间的相位差调整到相位重合检测线路的分辨率阀值的边沿处。这种相位状况的调节可以通过相位差测量和对一个振荡器进行压控调整、检相-脉冲平均锁相方法、以及专门的锁相环电路等。目前已经用相对简单的锁相环电路实现了信号间频率的锁定以及相位的可控移动。此时可以通过具有不同的相位重合检测的阀值的检测线路组合成相位重合检测阵直接获得带有相位变化的全部信息的相位差的变化。此种方法的难点是有较严格的阀值差的大量的线路的得到受到线路参数严格获得的困难。但是可以选择、并且通过测量得到关系并不是那么严格的相位重合检测阵。虽然这些线路之间在分辨率等方面的差异并不严格，但是如果能够把各个检测线路的分辨率、模糊区等参数严格测定，仍然能够用于获得以阵测量的效果。

图3中，显示的是实施过程的流程图，本发明测量仪器主要包括低相噪信号源部分、DDS和晶体滤波部分、信号调理部分、相位重合点检测和频率测量部分（以及并行的对达到重合触发限的重合脉冲的计数器）、软件处理算法、信号处理及显示部分。考虑到其主要原理是基于异频信号之间以变化着的最小公倍数周期表现的相位差变化的周期性特征实现相噪测量。根据参考信号经过合适频率变换后与被测信号的频率进行相位重合点检测，通过对重合点之间的进行频率测量，由两相邻重合点之间门时时间长短的起伏变化来反映相位噪声的变化以及通过对达到对重合检测线路的触发限的信号的两维状况进行捕捉和处理，最终对实际计数闸门开启和关闭时的微小偏差作定量的补偿，最后经过对测量得到的门时数据的计算处理，利用快速傅里叶变换算法处理显示出相位噪声曲线。

图4为所测得数据经过计算得到的100MHz晶振SOXO13FF100MDSGU自校的相位噪声图。

图5为所测得数据经过计算得到的HP8662产生的10MHz信号相位噪声图。

图6为所测得数据经过计算得到的E8257C产生的2GHz信号128分频后的相位噪声图。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述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同等替换。

凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法，其特征在于，该测量方法将参考信号和被测信号进行相位重合点检测，然后对相位重合点检测部分的重合点进行有效的捕捉，通过对重合点之间的频率值进行测量，同时记录重合脉冲簇中脉冲丢失的位置，闸门内计数值的起伏变化及脉冲丢失位置可以反映相位噪声的变化；通过对闸门内计数值变化的分析得到近载频的相位噪声，对相位重合簇内脉冲丢失的情况进行分析得到远载频的相位噪声，最后由计算机数据处理和离散傅立叶变化算法来计算单边带相位噪声。

2.如权利要求1所述的基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法，其特征在于，利用了两路频率信号之间的相位重合点的检测，第一路通过对闸门内计数值变化的分析来得到近载频的相位噪声，第二路通过对相位重合簇内脉冲丢失的情况进行分析来得到远载频的相位噪声。

3.如权利要求1所述的基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法，其特征在于，通过对被测信号进行粗测，根据粗测结果设置一个窄带的DDS，由于DDS的窄带特性，使得DDS输出的信号可以选择不同中心频率的晶体滤波器，同时根据设置DDS输出的信号分频器的分频比，使得参考信号和被测信号形成整数倍并有一定频差的关系进行相位重合检测，通过和上位机之间的通信来进行相关的采集信息设置。

4.如权利要求2所述的基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法，其特征在于，根据上位机设置的信息，第一路相位重合检测用于对闸门内被测信号f_x和参考信号f₀进行计数，并将计数的结果N₀和N_x通过串口传输到上位机进行处理和显示；

第二路相位重合检测用于对相位重合簇内脉冲丢失的位置i进行记录，并将结果通过串口传输到上位机进行处理和显示。

5.如权利要求2所述的基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法，其特征在于，第一路的实现方法如下：

根据上位机设置的信息，通过对参考频率f₀和被测频率f_x进行重合检测形成实际闸门，对闸门内的f₀和f_x进行N次测量可得到N个N₀和N_x值，其中N₀和N_x分别为闸门内f₀和f_x的计数值；由于噪声的存在，使得各个闸门内的计数值不一致，通过计数值的起伏变化来反映相位噪声的变化，由N₀T₀=N_xT_x，可计算得到N个T_x,f_x值，即可得到

其中

将当作被测信号的准确值，则可得到每个闸门内的周期抖动：

则闸门内的相位抖动为：

通过对

进行时域到频域的转换可得到信号的近端单边带相位噪声。

6.如权利要求2所述的基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法，其特征在于，第二路的实现方法如下：

根据上位机设置的信息，通过对参考频率f₀和被测频率f_x进行重合检测，由于器件的分辨率有限，使得重合点附近出现了一簇的重合脉冲；在明显存在噪声的情况下，该脉冲的包络内会因为噪声的问题导致在一些本应该有重合检出的重合窄脉冲波型的地方因为相位差值的增大而没有被检出的信号，所以在对相位重合簇的计数中，会由于噪声情况不同，从而引起计数的结果也不同，那么就可以建立计数值和相噪情况的函数关系；由于被测信号与参考信号成倍数有一定的频差，则相位差是单调步进的，且步进值为：

其中，f_equ：等效鉴相频率；f_maxc：最大公因子频率；在位置i处的相位差值为i×ΔT，根据脉冲丢失的位置i可得到i处的相位抖动

则脉冲未丢失位置的相位抖动

将

转换到频域即可得到信号的远端单边带相位噪声。

7.如权利要求5或6所述的基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法，其特征在于：结合得到的近端和远端的相位抖动信息，将其通过离散傅立叶变化算法转换到频域，即可得到完整的单边带相位噪声曲线。

8.如权利要求7所述的基于任意频率信号间相位特征处理的相位噪声测量方法，其特征在于：由于相位抖动

的自相关函数与相位噪声的谱密度

是一对傅里叶变换对，对

进行自相关并进行傅里叶变换可得到相位噪声的谱密度在小角度调制条件下，由

可得到单边带相位噪声。

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