CN104122457A - 一种脉冲调制信号相位噪声测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种脉冲调制信号相位噪声测量装置，包括下变频及正交鉴相运算单元，所述下变频及正交鉴相运算单元自输入端至输出端依次包括：下变频单元、正交鉴相单元和采样运算单元；所述下变频单元包括：本振、混频器、可调带通滤波器和一级低噪声放大单元；所述正交鉴相单元包括鉴相器、低通滤波器、二级低噪声放大单元、环路滤波器和参考源；所述采样运算单元包括A/D采样单元和分析运算单元，所述正交鉴相单元的输出信号经A/D采样单元和分析运算单元后得到相位噪声测量结果。本发明减少了所需的测试仪器和电缆的数量，简化了测量步骤，降低了测试难度。

Description

一种脉冲调制信号相位噪声测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种脉冲调制信号相位噪声测量装置，还涉及一种脉冲调制信号相位噪声测量方法。

背景技术

相位噪声是评估信号频率短期稳定度的重要指标，相位噪声性能的好坏对电子系统的整体性能具有重要影响，例如雷达系统的作用距离、目标分辨率，数字通信系统的误码率、图像信号质量、卫星定位精度和接收机系统相邻信道间信号干扰度等指标都和系统频率源的载波相位噪声有关。

由于脉冲调制信号具有较强的通信安全性和抗干扰性，在保密通信系统和雷达设备中得到了广泛应用，发射和接收信号多以工作于微波毫米波频段的脉冲调制载波信号为主。在脉冲调制信号产生过程中，调制电路对信号相位噪声性能将产生不同程度的恶化，欲对系统总体性能进行准确评估，必须在实际工作的脉冲调制状态下对输出信号近载波相位噪声进行精确测试，以衡量相位噪声及脉冲调制过程对系统性能的综合影响。

目前测量脉冲调制载波相位噪声主要有两种方法：

第一种是频谱分析仪法，使用频谱分析仪的时间门功能进行测试，测试时序如图1所示。测试的基本原理就是在产生脉冲载波的同时，输出一个触发脉冲信号，这两个信号同时送给频谱分析仪。频谱分析仪根据信号延迟和脉冲宽度设定门延迟和门宽度，由触发信号同步触发，产生实际的门控信号。该门控信号控制频谱分析仪在门控信号有效期间进行扫描、采样和分析，在门控信号无效期间停止扫描和采样。对载波一定频偏处相位噪声的测量，可以使用频谱分析仪提供的噪声频标功能直接进行，从而得到其相位噪声信息。

频谱分析仪法典型的测试连接图如图2所示。信号发生器输出射频脉冲载波和脉冲同步输出信号，这两个信号同时连接到频谱分析仪和宽带示波器，频谱分析仪的门控信号通过门输出接口输出，连接到宽带示波器。测量时用宽带示波器同时监测射频脉冲载波、脉冲同步输出和门输出信号，监测三者之间是否满足测试时序要求，如果不满足测试时序，则可以通过信号发生器调整脉冲同步输出延迟，可以通过频谱分析仪调整门控信号宽度和门延时，使得三者满足测试时序要求。

该方法的缺点是不抑制载波，受中频滤波器形状的限制，无法解决中频泄露问题，导致测量很小频偏(如频偏小于10Hz)时，测量结果偏离很大；该方法要求本振的相位噪声要优于被测信号，其测量灵敏度受频谱分析仪本振相位噪声限制，很难测试相位噪声很低的载波信号；另外该方法无法区分相位噪声和调幅噪声，测量的结果是相位噪声和调幅噪声的总和。

脉冲载波、触发脉冲和门控信号需要用宽带示波器进行监测，并且要手动调整信号发生器和频谱分析仪的多个参数才能使三者完全同步，这种方案费时费力，而且要求被测源要具备触发脉冲输出能力和延迟调节能力，要求频谱分析仪具有门延迟和门宽度调节能力。测试的时间累积的一定的程度，还会导致已经同步好的信号失去同步关系，这时需要重新调整各个参数，让系统重新进入同步状态。

第二种脉冲调制载波相位噪声测试的方法是鉴相法，测试原理框图如图3所示，该方法的基本工作过程是：被测源与参考源混频鉴相，经过鉴相器和低通滤波器输出瞬时电压起伏与输入信号的瞬时相位起伏呈线性关系，对相位噪声的测量可以转化为对输出电压起伏测量。鉴相输出信号经低通滤波器、PRF滤波器和低噪声放大单元处理后，一路经环路滤波器处理后反馈给参考源，组成闭环锁相环路，保持参考源与被测源频率相等且相位正交，另一路送到ADC进行数字采样，经FFT变换转化成功率谱密度信息，进而分析运算得到被测信号的相位噪声值。

鉴相器一般采用高性能双平衡混频器，其中频与本振和射频之间虽有一定隔离，但脉冲调制信号的PRF馈通也是不可避免的，它与鉴相器输出的相位噪声信号混叠在一起，而且其绝对量值要远远大于相位噪声信号幅度，所以中频通道中PRF滤波器的设置是非常必要的，将有效滤除PRF馈通信号而保留相位噪声信号。

如果参考源为连续波信号，输入被测信号为脉冲调制载波，在脉冲开期间二者同频、相位正交，此时被测信号载波的相位噪声将被有效提取；而在脉冲关期间，由于鉴相器本振端连续波参考源的单独存在，中频端口将产生较大的直流偏置电压。这一电压如无法消除将使后端放大器迅速进入饱和状态，造成系统灵敏度下降。参考源为连续波时还将把本振端信号的调幅噪声全部转移到中频端口，而只把部分相位噪声转入，虽然通常情况下参考源的调幅噪声比相位噪声要低很多，但随着脉冲调制信号占空比的降低，二者将逐渐趋于接近并最终影响相位噪声的测量。为消除连续波鉴相给相位噪声测量带来的不利因素，通常采用脉冲参考源做本振，可有效抑制直流偏置和调幅噪声的恶化，但仍需要解决被测信号与参考源之间的脉冲同步问题。

为解决被测信号与参考源之间的脉冲同步问题，现有的测试装置使用一台双通道脉冲发生器产生两路脉冲信号，同时对参考源和被测源进行脉冲调制。测量连接图和测量原理图如图4和图5所示，脉冲调制信号相位噪声测量装置提供脉冲载波输入接口、脉冲调制信号输入接口和鉴相中频输出监测接口。对被测源测试时还要提供一台双通道脉冲发生器和一台宽带示波器。双通道脉冲发生器输出两路同步的脉冲调制信号，一路接到被测源对其进行脉冲调制，使施加脉冲调制后的被测源接到脉冲载波相位噪声测量装置的载波输入接口，另一路接到脉冲载波相位噪声测量装置的脉冲调制信号输入接口，通过脉冲调制器对参考源进行脉冲调制。双通道脉冲发生器的同步输出信号接到宽带示波器上，作为触发信号，对鉴相输出的中频输出信号进行同步监测。通过宽带示波器，就可以观察到被测源和参考源的脉冲调制载波信号是否同步，如果不同步，就可以调节双通道脉冲信号发生器两路脉冲信号的相对延迟，使被测源和参考源的脉冲载波完全同步。同步后的被测源和参考源鉴相后输出中频信号，经过低通滤波器、PRF滤波器、环路滤波器等处理后对参考源进行调节，最终使参考源与被测源正交锁定。被测源和参考源正交锁定后，经低噪声放大单元、A/D采样单元和分析运算单元后，即可得到被测源在脉冲调制状态下的相位噪声。

两路脉冲信号的相对延迟需要用宽带示波器在鉴相输出中频端口进行观察调节，这种方案不但费时费力，而且要求被测源要具备接收外部脉冲调制信号的能力，同时要求双通道脉冲发生器具有同步输出能力，并且可以调节两路脉冲信号之间的相对延迟。

发明内容

本发明提出了一种脉冲调制信号相位噪声测量装置及方法，采用谐波混频、可调带宽带通滤波及正交锁相相结合的方式，克服了现有技术中参考源与被测源的脉冲调制正交锁相面临的难题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种脉冲调制信号相位噪声测量装置，包括下变频及正交鉴相运算单元，所述下变频及正交鉴相运算单元自输入端至输出端依次包括：下变频单元、正交鉴相单元和采样运算单元；

所述下变频单元包括：本振、混频器、可调带通滤波器和一级低噪声放大单元；被测脉冲调制信号在混频器与所述本振的基波或谐波进行混频，得到固定频率的脉冲调制中频信号，脉冲调制中频信号传送到可调带通滤波器滤波，可调带通滤波器中心频率与中频信号的频率相等，带宽调整到与被测脉冲调制频率相等，滤除脉冲调制中频信号的边带信号，提取出独立的连续波中频信号；一级低噪声放大单元对所述连续波中频信号进行低噪声放大后送到正交鉴相单元；

所述正交鉴相单元包括鉴相器、低通滤波器、二级低噪声放大单元、环路滤波器和参考源；所述连续波中频信号与参考源在鉴相器正交鉴相后提取出噪声电压，噪声电压经低通滤波器和二级低噪声放大单元处理后，一路经环路滤波器处理后反馈给参考源，组成闭环正交锁相环路，另一路送到采样运算单元；

所述采样运算单元包括A/D采样单元和分析运算单元，所述正交鉴相单元的输出信号经A/D采样单元和分析运算单元后得到相位噪声测量结果。

可选地，本发明的脉冲调制信号相位噪声测量装置，包括功分单元、两个对称的下变频及正交鉴相运算单元和互相关运算单元，每个下变频及正交鉴相运算单元都包含完整的下变频单元、正交鉴相单元和采样运算单元；

被测源输出的被测脉冲调制信号经功分单元进行平衡功率分配后，分别送入两个对称的下变频及正交鉴相运算单元，两个下变频及正交鉴相运算单元对被测脉冲调制信号进行下变频及滤波处理、正交鉴相处理和采样运算处理输出两组相位噪声测量结果，所述两组相位噪声测量结果传输到互相关运算单元进行互相关运算处理，得到被测信号的相位噪声。

可选地，所述可调带通滤波器由多级调谐滤波器级联构成，每一级调谐滤波器包括晶体滤波器通道、LC滤波器通道、直通通道和多路开关。

可选地，所述互相关运算单元接收到两个下变频及正交鉴相运算单元鉴相输出的电压谱密度分别为：

S_I(f)＝S₁(f)+S_N1(f)       (1)

S_II(f)＝S₂(f)+S_N2(f)      (2)

式中S₁(f)、S₂(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元锁相环鉴相输出的与被测脉冲调制信号相位噪声对应的噪声谱密度；S_N1(f)、S_N2(f)分别是两个独立的下变频及正交鉴相运算单元内部下变频本振电路和元件引入的噪声谱密度；

经过相关运算后，得到下式：

$\begin{array}{c}L\left(f\right)~\left|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(S_{1i}+S_{n1i}){(S_{2i}+S_{n2i})}^{*}\right|\\ L\left(f\right)~|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S}_{2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S^{*}}_{n2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S^{*}}_{2i}{S}_{n1i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\text{\Σ}}}{S}_{n1i}{S^{*}}_{n2i}|\end{array}---\left(3\right)$

所述两个下变频及正交鉴相运算单元对称，故有S₁(f)＝S₂(f)＝S(f)，S_N1(f)、S_N2(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元随机产生的叠加噪声，不相关；同样S_i和S_n1i，S_i和S_n2i也是互不相关的，经过互相关运算消除两个下变频及正交鉴相运算单元随机产生的叠加噪声。

本发明还提供了一种脉冲调制信号相位噪声测量方法，通过下变频及正交鉴相运算单元对被测脉冲调制信号进行测量，包括以下步骤：

在输入端设置下变频本振电路，下变频本振电路输出基波或者谐波与被测源的被测脉冲调制信号在混频器混频，得到固定频率的脉冲调制中频信号；

混频后的信号传送到可调带通滤波器滤波，可调带通滤波器中心频率与中频信号的频率相等，可调带通滤波器的带宽调整到与被测脉冲调制频率相等，滤除中心频率以外的所有脉冲调制谱线，提取出独立的连续波中频信号；

一级低噪声放大单元对所述连续波中频信号进行低噪声放大后送到正交鉴相器，与参考源正交锁相后提取出噪声电压；

所述噪声电压经低通滤波器、二级低噪声放大单元后，一路经环路滤波器处理后反馈给参考源，组成闭环锁相环路，另一路经A/D采样单元和分析运算单元后得到相位噪声测量结果。

可选地，本发明的脉冲调制信号相位噪声测量方法，被测源输出的被测脉冲调制信号经功分单元进行平衡功率分配后，分别送入两个对称的下变频及正交鉴相运算单元，两个下变频及正交鉴相运算单元对被测脉冲调制信号进行下变频及滤波处理、正交鉴相处理和采样运算处理输出两组相位噪声测量结果，所述两组相位噪声测量结果传输到互相关运算单元进行互相关运算处理，得到被测信号的相位噪声。

可选地，所述互相关运算模块对两路下变频及正交鉴相运算单元输出的电压谱密度进行处理的步骤具体为：两路下变频及正交鉴相运算单元鉴相输出的电压谱密度分别为：

S_I(f)＝S₁(f)+S_N1(f)        (1)

S_II(f)＝S₂(f)+S_N2(f)       (2)

式中S₁(f)、S₂(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元锁相环鉴相输出的与被测脉冲调制信号相位噪声对应的噪声谱密度；S_N1(f)、S_N2(f)分别是两独立的下变频及正交鉴相运算单元内部下变频本振电路和元件引入的噪声谱密度；

经过相关运算后，得到下式：

$\begin{array}{c}L\left(f\right)~\left|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(S_{1i}+S_{n1i}){(S_{2i}+S_{n2i})}^{*}\right|\\ L\left(f\right)~|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S}_{2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S^{*}}_{n2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S^{*}}_{2i}{S}_{n1i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\text{\Σ}}}{S}_{n1i}{S^{*}}_{n2i}|\end{array}---\left(3\right)$

两个下变频及正交鉴相运算单元对称，故有S₁(f)＝S₂(f)＝S(f)，S_N1(f)、S_N2(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元随机产生的叠加噪声，不相关；同样S_i和S_n1i，S_i和S_n2i也是互不相关的；运算次数足够多，第2、3、4项趋于零，得到被测脉冲调制信号的相位噪声。

可选地，所述混频后的信号传送到可调带通滤波器滤波的步骤中，N级可调带通滤波器带宽级联计算公式为其中，BW_3dB：级联后滤波器带宽；BW_N：每一级滤波器带宽。

本发明的有益效果是：

(1)把现有方案中脉冲调制信号正交锁相问题，分解为两个相对容易实现的单元，分别是下变频带通滤波单元和连续波正交锁相单元，实现简单，工作可靠；

(2)解决了现有方案脉冲调制信号正交锁相困难的问题，同时也解决了脉冲调制信号正交锁相时导致的环路增益降低的问题；

(3)对两路平衡双通道进行互相关运算后，可以两通道随机产生的叠加噪声，大幅提高测量灵敏度；

(4)不需要额外宽带示波器、双通道脉冲发生器等测试仪器，也省掉了多根测试电缆，大幅度简化了测量连接的复杂度，简化了测量步骤，降低了测试难度；

(5)不需要复杂的脉冲同步调整过程，无需人工调整和干预，解决了手动调整多台仪器以保证信号之间相互同步的繁琐的设置问题；

(6)整个测试过程省时省力，设置及测试过程大幅简化，降低了测试难度，节省了人力成本，大幅度提高了测试效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为频谱分析仪时间门测试时序图；

图2为频谱分析仪法典型的测试连接图；

图3为鉴相法测量相位噪声的原理框图；

图4为采用双通道脉冲发生器、宽带示波器和脉冲载波相位噪声测量装置相结合的鉴相法测量相位噪声的测试连接图；

图5为采用双通道脉冲发生器、宽带示波器和脉冲载波相位噪声测量装置相结合的鉴相法测量相位噪声的原理框图；

图6为本发明的脉冲调制信号相位噪声测量装置的测量连接图；

图7为本发明的脉冲调制信号相位噪声测量装置一个实施例的测量原理图；

图8为本发明的脉冲调制信号相位噪声测量装置另一个实施例的测量原理图；

图9为本发明的脉冲调制信号相位噪声测量装置的可调带通滤波器的结构原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于鉴相法通过正交鉴相，抑制了载波，中频输出的瞬时电压起伏与输入信号的瞬时相位起伏呈线性关系，解决了中频泄露导致测量很小频偏时测量结果偏离大的问题；结合低噪声放大器，可充分利用A/D采样的动态范围，可提供大动态范围的相位噪声测量；可明确区分相位噪声和调幅噪声，因此，本发明采用鉴相法进行脉冲调制信号相位噪声测试。

本发明的脉冲调制信号相位噪声测量装置的测量连接图如图6所示，信号发生器作为被测源，输出射频脉冲调制信号，该射频脉冲调制信号作为被测脉冲调制信号直接与脉冲调制信号相位噪声测量装置相连接，不需要额外宽带示波器、双通道脉冲发生器等测试仪器，也省掉了多根测试电缆，大幅度简化了测量连接的复杂度，简化了测量步骤，降低了测试难度，同时也大幅度降低了测试成本。

为了克服参考源与被测源的脉冲调制正交锁相面临的困难，本发明采用谐波混频、可调带宽带通滤波及正交锁相相结合的方式，图7示出了本发明脉冲调制信号相位噪声测量装置的一个实施例，该实施例包括下变频及正交鉴相运算单元，所述下变频及正交鉴相运算单元自输入端至输出端依次包括：下变频单元、正交鉴相单元和采样运算单元。

上述下变频单元包括：本振、混频器、可调带通滤波器和一级低噪声放大单元；被测脉冲调制信号在混频器与本振的基波或谐波进行混频，得到固定频率的脉冲调制中频信号，脉冲调制中频信号传送到可调带通滤波器滤波，可调带通滤波器中心频率与中频信号的频率相等，带宽调整到与被测脉冲调制频率相等，滤除脉冲调制中频信号的边带信号，提取出独立的连续波中频信号，该连续波中频信号携带着被测源的相位噪声特性，上述可调带通滤波器带宽选择原则是带宽小于脉冲调制频率；一级低噪声放大单元对所述连续波中频信号进行低噪声放大后送到正交鉴相单元。

上述正交鉴相单元包括鉴相器、低通滤波器、二级低噪声放大单元、环路滤波器和参考源；所述连续波中频信号与参考源在鉴相器正交鉴相后提取出噪声电压，噪声电压经低通滤波器和二级低噪声放大单元处理后，一路经环路滤波器处理后反馈给参考源，组成闭环正交锁相环路，保持参考源与被测源频率相等且相位正交，该正交鉴相环路完全工作在连续波状态下，简化了电路设计，环路工作更稳定，也消除了脉冲调制信号正交锁相时导致的环路增益降低的问题；另一路送到采样运算单元。

所述采样运算单元包括A/D采样单元和分析运算单元，所述正交鉴相单元的输出信号经A/D采样单元和分析运算单元后得到相位噪声测量结果。

本发明将脉冲调制信号正交锁相环节进行了技术分解，分解为相对容易实现的带通滤波和连续波信号正交鉴相两个环节，正交锁相环路完全工作在连续波状态下，可以使正交鉴相环路工作更稳定可靠，同时也解决了脉冲调制信号正交锁相时导致的环路增益降低的问题，测量灵敏度也高。

下面结合图9对上述可调带通滤波器的结构及工作原理进行详细说明。

可调带通滤波器由四级调谐滤波器级联构成，每一级调谐滤波器包括晶体滤波器通道、LC滤波器通道、直通通道和多路开关。可调带通滤波器带宽覆盖1kHz～10MHz范围。带宽在100kHz～10MHz范围时，用LC滤波器实现；带宽在1kHz～100kHz范围时，用晶体滤波器实现。可调带通滤波器提供中心频率校正、晶体对称性校正、带宽控制和开关控制等接口。中心频率校正信号提供线性输入电压，控制变容二极管实现中心频率调谐；晶体对称性校正信号提供线性输入电压，控制晶体谐振点实现晶体滤波器对称性调节；带宽控制信号控制PIN二极管的电流，达到可变带宽目的；开关控制信号是逻辑信号，用于选择信号传输通道。

上述可调带通滤波器的级数仅为举例，本领域技术人员可以根据本发明的教导扩展到N级，N为整数，N级可调带通滤波器带宽级联计算公式为：其中，BW_3dB：级联后滤波器带宽；BW_N：每一级滤波器带宽。

为了进一步提高相位噪声测量灵敏度，本发明还提供了脉冲调制信号相位噪声测量电路的另一个实施例，该实施例中设计两个对称的下变频及正交鉴相运算单元，采用互相关技术减小下变频本振和参考源噪声以及测量通道引入的系统噪声，测量原理如图8所示，该实施例由两个对称的下变频及正交鉴相运算单元组成，每个下变频及正交鉴相运算单元都包含完整的下变频单元、正交鉴相单元和采样运算单元，每个下变频及正交鉴相运算单元的结构与图7所示实施例中下变频及正交鉴相运算单元的结构相同，此处对每个下变频及正交鉴相运算单元的结构及测量原理不再赘述，被测源输出的被测脉冲调制信号经功分单元进行平衡功率分配后，分别送入两个对称的下变频及正交鉴相运算单元，两个下变频及正交鉴相运算单元对被测脉冲调制信号进行下变频及滤波处理、正交鉴相处理和采样运算处理输出两组相位噪声测量结果，所述两组相位噪声测量结果传输到互相关运算单元进行互相关运算处理，得到被测信号的相位噪声。

下面对上述互相关运算模块的工作原理进行详细介绍。假定两个下变频及正交鉴相运算单元鉴相输出的电压谱密度分别表示为：

S_I(f)＝S₁(f)+S_N1(f)         (1)

S_II(f)＝S₂(f)+S_N2(f)      (2)

式中S₁(f)、S₂(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元锁相环鉴相输出的与被测相位噪声对应的噪声谱密度，都等于S(f)；S_N1(f)、S_N2(f)分别是两独立的下变频及正交鉴相运算单元内部下变频本振电路和元件等引入的噪声谱密度。经过相关运算后，可以得到下式：

$\begin{array}{c}L\left(f\right)~\left|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(S_{1i}+S_{n1i}){(S_{2i}+S_{n2i})}^{*}\right|\\ L\left(f\right)~|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S}_{2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S^{*}}_{n2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S^{*}}_{2i}{S}_{n1i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\text{\Σ}}}{S}_{n1i}{S^{*}}_{n2i}|\end{array}---\left(3\right)$

由于两个下变频及正交鉴相运算单元对称，故有S₁(f)＝S₂(f)＝S(f)，S_N1(f)、S_N2(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元随机产生的叠加噪声，不相关；同样S_i和S_n1i，S_i和S_n2i也是互不相关的，如果运算次数足够多，第2、3、4项都趋于零，因此，利用互相关技术进行相位噪声测量能够在一定程度上消除测试通路中参考信号源电路及元件引入的噪声对测量结果的影响，实现高灵敏度相位噪声的测量，互相关对相位噪声测量灵敏度的改善量，理论上100次互相关改善10dB，10000次互相关改善20dB，可以大幅度提高脉冲调制相位噪声测量装置的应用范围。

基于上述对脉冲调制信号相位噪声测量装置的描述，本发明还提供了一种脉冲调制信号相位噪声测量方法，如图7所示，通过下变频及正交鉴相运算单元对被测脉冲调制信号进行测量，包括以下步骤：在输入端设置下变频本振电路，下变频本振电路输出基波或者谐波与被测源的被测脉冲调制信号在混频器混频，得到固定频率的脉冲调制中频信号；混频后的信号传送到可调带通滤波器滤波，可调带通滤波器中心频率与中频信号的频率相等，可调带通滤波器的带宽调整到与被测脉冲调制频率相等，滤除中心频率以外的所有脉冲调制谱线，提取出独立的连续波中频信号；一级低噪声放大单元对所述连续波中频信号进行低噪声放大后送到正交鉴相器，与参考源正交锁相后提取出噪声电压；所述噪声电压经低通滤波器、二级低噪声放大单元后，一路经环路滤波器处理后反馈给参考源，组成闭环锁相环路，另一路经A/D采样单元和分析运算单元后得到相位噪声测量结果。

如图8所示，本发明脉冲调制信号相位噪声测量方法的另一个实施例，通过两个下变频及正交鉴相运算单元对被测脉冲调制信号进行测量，每个下变频及正交鉴相运算单元都包含完整的下变频单元、正交鉴相单元和采样运算单元，测量过程包括以下步骤：被测源输出的被测脉冲调制信号经功分单元进行平衡功率分配后，分别送入两个对称的下变频及正交鉴相运算单元，两个下变频及正交鉴相运算单元对被测脉冲调制信号进行下变频及滤波处理、正交鉴相处理和采样运算处理输出两组相位噪声测量结果，所述两组相位噪声测量结果传输到互相关运算单元进行互相关运算处理，得到被测信号的相位噪声。

上述互相关运算模块对两路信号进行处理的步骤具体为：两个下变频及正交鉴相运算单元鉴相输出的电压谱密度分别为：

S_I(f)＝S₁(f)+S_N1(f)       (1)

S_II(f)＝S₂(f)+S_N2(f)      (2)

式中S₁(f)、S₂(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元锁相环鉴相输出的与被测脉冲调制信号相位噪声对应的噪声谱密度；S_N1(f)、S_N2(f)分别是两个独立的下变频及正交鉴相运算单元内部下变频本振电路和元件引入的噪声谱密度；经过相关运算后，可以得到下式：

$\begin{array}{c}L\left(f\right)~\left|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(S_{1i}+S_{n1i}){(S_{2i}+S_{n2i})}^{*}\right|\\ L\left(f\right)~|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S}_{2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S^{*}}_{n2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S^{*}}_{2i}{S}_{n1i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\text{\Σ}}}{S}_{n1i}{S^{*}}_{n2i}|\end{array}---\left(3\right)$

两个下变频及正交鉴相运算单元对称，故有S₁(f)＝S₂(f)＝S(f)，S_N1(f)、S_N2(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元随机产生的叠加噪声，不相关；同样S_i和S_n1i，S_i和S_n2i也是互不相关的；运算次数足够多，第2、3、4项趋于零，得到被测脉冲调制信号的相位噪声。

本发明技术方案采用谐波混频、可调带宽带通滤波及正交锁相相结合的方式，实现了一种新型脉冲调制信号相位噪声测量装置及方法。

本发明技术方案把现有方案复杂脉冲调制信号正交锁相问题，分解为两个相对容易实现的单元，分别是下变频带通滤波单元和连续波正交锁相单元，实现简单，工作可靠。

本发明的脉冲调制信号相位噪声测量装置及方法，解决了现有方案中脉冲调制信号正交锁相困难的问题，同时也解决了脉冲调制信号正交锁相时导致的环路增益降低的问题；不需要额外宽带示波器、双通道脉冲发生器等测试仪器，也省掉了多根测试电缆，大幅度降低了测试成本；减少了所需的测试仪器和电缆的数量，大幅度简化了测量连接的复杂度，简化了测量步骤，降低了测试难度；不需要复杂的脉冲同步调整过程，无需人工调整和干预，解决了手动调整多台仪器以保证信号之间相互同步的繁琐的设置问题；整个测试过程省时省力，设置及测试过程大幅简化，降低了测试难度，节省了人力成本，大幅度提高了测试效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种脉冲调制信号相位噪声测量装置，其特征在于，包括下变频及正交鉴相运算单元，所述下变频及正交鉴相运算单元自输入端至输出端依次包括：下变频单元、正交鉴相单元和采样运算单元；

所述下变频单元包括：本振、混频器、可调带通滤波器和一级低噪声放大单元；被测脉冲调制信号在混频器与所述本振的基波或谐波进行混频，得到固定频率的脉冲调制中频信号，脉冲调制中频信号传送到可调带通滤波器滤波，可调带通滤波器中心频率与中频信号的频率相等，带宽调整到与被测脉冲调制频率相等，滤除脉冲调制中频信号的边带信号，提取出独立的连续波中频信号；一级低噪声放大单元对所述连续波中频信号进行低噪声放大后送到正交鉴相单元；

所述正交鉴相单元包括鉴相器、低通滤波器、二级低噪声放大单元、环路滤波器和参考源；所述连续波中频信号与参考源在鉴相器正交鉴相后提取出噪声电压，噪声电压经低通滤波器和二级低噪声放大单元处理后，一路经环路滤波器处理后反馈给参考源，组成闭环正交锁相环路，另一路送到采样运算单元；

所述采样运算单元包括A/D采样单元和分析运算单元，所述正交鉴相单元的输出信号经A/D采样单元和分析运算单元后得到相位噪声测量结果。

2.如权利要求1所述的脉冲调制信号相位噪声测量装置，其特征在于，包括功分单元、两个对称的下变频及正交鉴相运算单元和互相关运算单元，每个下变频及正交鉴相运算单元都包含完整的下变频单元、正交鉴相单元和采样运算单元；

被测脉冲调制信号经功分单元进行平衡功率分配后，分别送入两个对称的下变频及正交鉴相运算单元，两个下变频及正交鉴相运算单元对被测脉冲调制信号进行下变频及滤波处理、正交鉴相处理和采样运算处理输出两组相位噪声测量结果，所述两组相位噪声测量结果传输到互相关运算单元进行互相关运算处理，得到被测信号的相位噪声。

3.如权利要求1所述的脉冲调制信号相位噪声测量装置，其特征在于，所述可调带通滤波器由多级调谐滤波器级联构成，每一级调谐滤波器包括晶体滤波器通道、LC滤波器通道、直通通道和多路开关。

4.如权利要求2所述的脉冲调制信号相位噪声测量装置，其特征在于，所述互相关运算单元接收到两个下变频及正交鉴相运算单元鉴相输出的电压谱密度分别为：

S_I(f)＝S₁(f)+S_N1(f)      (1)

S_II(f)＝S₂(f)+S_N2(f)        (2)

式中S₁(f)、S₂(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元锁相环鉴相输出的与被测脉冲调制信号相位噪声对应的噪声谱密度；S_N1(f)、S_N2(f)分别是两个独立的下变频及正交鉴相运算单元内部下变频本振电路和元件引入的噪声谱密度；

经过相关运算后，得到下式：

$\begin{array}{c}L\left(f\right)~\left|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(S_{1i}+S_{n1i}){(S_{2i}+S_{n2i})}^{*}\right|\\ L\left(f\right)~|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S}_{2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S^{*}}_{n2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S^{*}}_{2i}{S}_{n1i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\text{\Σ}}}{S}_{n1i}{S^{*}}_{n2i}|\end{array}---\left(3\right)$

所述两个下变频及正交鉴相运算单元对称，故有S₁(f)＝S₂(f)＝S(f)，S_N1(f)、S_N2(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元随机产生的叠加噪声，不相关；同样S_i和S_n1i，S_i和S_n2i也是互不相关的，经过互相关运算消除两个下变频及正交鉴相运算单元随机产生的叠加噪声。

5.一种脉冲调制信号相位噪声测量方法，其特征在于，通过下变频及正交鉴相运算单元对被测脉冲调制信号进行测量，包括以下步骤：

在输入端设置下变频本振电路，下变频本振电路输出基波或者谐波与被测源的被测脉冲调制信号在混频器混频，得到固定频率的脉冲调制中频信号；

混频后的信号传送到可调带通滤波器滤波，可调带通滤波器中心频率与中频信号的频率相等，可调带通滤波器的带宽调整到与被测脉冲调制频率相等，滤除中心频率以外的所有脉冲调制谱线，提取出独立的连续波中频信号；

一级低噪声放大单元对所述连续波中频信号进行低噪声放大后送到正交鉴相器，与参考源正交锁相后提取出噪声电压；

所述噪声电压经低通滤波器、二级低噪声放大单元后，一路经环路滤波器处理后反馈给参考源，组成闭环锁相环路，另一路经A/D采样单元和分析运算单元后得到相位噪声测量结果。

6.如权利要求5所述的脉冲调制信号相位噪声测量方法，其特征在于，被测脉冲调制信号经功分单元进行平衡功率分配后，分别送入两个对称的下变频及正交鉴相运算单元，两个下变频及正交鉴相运算单元对被测脉冲调制信号进行下变频及滤波处理、正交鉴相处理和采样运算处理输出两组相位噪声测量结果，所述两组相位噪声测量结果传输到互相关运算单元进行互相关运算处理，得到被测信号的相位噪声。

7.如权利要求6所述的脉冲调制信号相位噪声测量方法，其特征在于，所述互相关运算模块对两路下变频及正交鉴相运算单元输出的电压谱密度进行处理的步骤具体为：两路下变频及正交鉴相运算单元鉴相输出的电压谱密度分别为：

S_I(f)＝S₁(f)+S_N1(f)      (1)

S_II(f)＝S₂(f)+S_N2(f)     (2)

式中S₁(f)、S₂(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元锁相环鉴相输出的与被测脉冲调制信号相位噪声对应的噪声谱密度；S_N1(f)、S_N2(f)分别是两独立的下变频及正交鉴相运算单元内部下变频本振电路和元件引入的噪声谱密度；

经过相关运算后，得到下式：

$\begin{array}{c}L\left(f\right)~\left|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(S_{1i}+S_{n1i}){(S_{2i}+S_{n2i})}^{*}\right|\\ L\left(f\right)~|\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S}_{2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1i}{S^{*}}_{n2i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S^{*}}_{2i}{S}_{n1i}+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\text{\Σ}}}{S}_{n1i}{S^{*}}_{n2i}|\end{array}---\left(3\right)$

两个下变频及正交鉴相运算单元对称，故有S₁(f)＝S₂(f)＝S(f)，S_N1(f)、S_N2(f)分别是两个下变频及正交鉴相运算单元随机产生的叠加噪声，不相关；同样S_i和S_n1i，S_i和S_n2i也是互不相关的；运算次数足够多，第2、3、4项趋于零，得到被测脉冲调制信号的相位噪声。

8.如权利要求5所述的脉冲调制信号相位噪声测量方法，其特征在于，所述混频后的信号传送到可调带通滤波器滤波的步骤中，N级可调带通滤波器带宽级联计算公式为其中，BW_3dB：级联后滤波器带宽；BW_N：每一级滤波器带宽。