CN104363013B - 一种低附加噪声的频率电压转换器 - Google Patents

Abstract

一种低附加噪声的频率电压转换器，本发明采用锁相环技术，建立频率电压的转换关系，将低噪声压控振荡器的相位锁定到被测信号上，再探测压控振荡器的控制端；实现了被测信号频率范围大于100千赫兹的低噪声频压转换，能满足超稳激光频率噪声谱测量需求；还可用于一般窄带激光器频率噪声的测量，比采用光纤延迟法测量激光器线宽标定激光器频率性能的方法更精确，本发明为超稳激光器的频率噪声水平提供了更高精度、更科学的测量手段，直接依据噪声谱确定影响激光器频率稳定度的噪声源，从而有针对性的优化激光系统，降低激光的频率噪声，在超稳激光和窄线宽激光应用于时间频率计量、基础物理研究、深空探测、空间科学等诸多领域，具有重要意义。

Description

一种低附加噪声的频率电压转换器

技术领域

本发明属于频率信号检测技术领域，具体涉及用于超高频率稳定度激光频率噪声评估的一种低附加噪声的频率电压转换器。

背景技术

超稳激光（超高频率稳定度激光）技术广泛应用于时间频率计量、高精度时间频率传递与同步、精密物理测量等前沿科学领域。超稳激光技术是当代时间频率，尤其是光学频率标准快速发展的基石。目前，最稳定的超稳激光的频率稳定度可达1E-17/s，其对应的激光线宽小于1Hz，对应的频率噪声在-10~-20 dB Hz²/Hz范围内。

为开发和评估超稳激光器，需要测量激光器的频率噪声谱，从而确定影响激光器频率不稳定的噪声源，以便有针对性的采取措施减小噪声源的影响，提高激光器的频率稳定度。这种测量首先需要利用两台超稳激光器进行拍频，得到的频率信号包含两台激光器的频率噪声，再利用光电探测器获取激光差频。为了在基带分析激光的频率噪声谱，需要一台附加噪声很低的频率电压转换器，将激光器的差频信号的频率抖动变换为电压抖动，然后利用商用快速傅里叶变换仪（FFT）测量激光的频率噪声谱。频率电压转换器的附加噪声需要优于被测信号的噪声水平，并且还需有一定的测量频率范围，这是因为单次频率测量往往需要几分钟甚至更长，而测量时要保证激光的差频始终处于测量频率范围内，一般不少于几十千赫兹。普通的电压频率转换芯片（如VFC32芯片）搭建的系统噪声水平远高于待测对象信号强度（-10~-20 dB Hz²/Hz），因此需要低附加噪声的频率电压转换器。

在超高频率稳定度激光频率噪声的评估中，采用低附加噪声的频率电压转换器，它能够将激光器信号下转换的频率噪声信号高精度的变换为基带电压信号，以便利用商用快速傅里叶变换仪进行后续频率噪声谱分析。目前，由于低噪声频率电压转换器的使用对象少，而且指标要求高，因此没有此类产品。国内同行一般不测量这个指标，目前所知的华东师范大学的马龙生小组是采用间接的方法测量超稳激光的频率噪声谱。国外同行都采用自主研制的频率电压转换器，技术细节不详。

发明内容

本发明的目的是提供一种低附加噪声的频率电压转换器，适用于激光器频率噪声谱测量，实现被测信号频率范围大于100千赫兹的低噪声频率电压转换，在3Hz-100kHz频率范围内，系统的双边带测量噪声低于-20dB Hz²/Hz。

本发明所设计的低附加噪声的频率电压转换器，采用低噪声压控振荡器为频率电压转换器的核心部件，利用锁相环技术，建立频率电压转换的关系，将低噪声压控振荡器的相位锁定到被测信号上，再探测压控振荡器的控制端（频率电压转换输出端）。具体方案如下：

一种低附加噪声的频率电压转换器，包括压控振荡器，放大器，衰减器，低噪声分频器，耦合器，鉴相器，环路滤波器和输出缓冲器；其中，压控振荡器的高频输出信号接入放大器1，经过放大的信号接入衰减器1，衰减器1的输出接入低噪声分频器，分频后的信号再分别经放大器2和衰减器2接入鉴相器，与输入鉴相器的待测激光器信号下转换的频率噪声信号鉴相后的差频信号接入环路滤波器，进行比例积分运算；环路滤波器的输出分两路，一路接到压控振荡器输入端（为反馈控制信号），另一路接入输出缓冲器作为频率电压转换器的输出端；在衰减器2和鉴相器之间设有耦合器，输出监控信号。

其中，压控振荡器产生的高频正弦信号，经过分频器分频后作为鉴相器输入端的参考信号；放大器用于将压控振荡器的输出信号进行功率放大，衰减器用于将放大信号的功率衰减到下级电路正常工作的输入范围；低噪声分频器则将压控振荡器的输出频率分频，进一步降低压控振荡器的相位噪声；而耦合器用于输出监控信号，该信号可用于监测环路是否锁定；所述鉴相器用于探测待测激光器信号下转换的频率噪声信号与分频后的压控振荡器输出信号之间的相位差信号（差频信号）；环路滤波器用于对差频信号进行比例积分运算，得到压控振荡器的频率控制信号；输出缓冲器的作用是缓冲隔离输出的电压信号与输入压控振荡器输入端的控制信号，并增加输出信号的驱动能力。

本发明低附加噪声的频率电压转换器的工作原理为，由压控振荡器产生的高频正弦信号，放大后经过低噪声分频器进行分频，分频后的信号再经放大输入鉴相器，与待测的激光器信号下转换的频率噪声信号鉴相后，输出的相位差信号进入环路滤波器，经比例积分运算后得到控制压控振荡器的控制电压，能使压控振荡器信号的相位锁定到待测信号的相位；此时该控制电压亦为频率电压转换器的输出电压，经放大隔离处理后可提供给商用快速傅里叶变换仪进行相关测试。

采用本发明测量超稳激光器的频率噪声的方法为，将待测的激光器信号下转换成频率信号接入本发明频率电压转换器，本发明利用锁相环技术，在大于100kHz的输入频率范围，精确地将输入的频率抖动转变为电压抖动信号；将该电压信号直接采用商用快速傅里叶变换仪测量电压噪声谱(dB V²/Hz)，再根据频率电压转换（频压转换）系数，得到被测激光信号的频率噪声谱(dB Hz²/Hz)。

本发明采用锁相环技术，将低噪声压控振荡器的相位锁定到被测信号上，再探测压控振荡器的控制端（频压转换输出端）的方法，实现了被测信号频率范围大于100千赫兹的低噪声频压转换。在3Hz-100kHz的频率范围内，系统的双边带测量噪底低于-20 dB Hz²/Hz，可以满足超稳激光频率噪声谱测量需求。本发明还可用于一般窄带激光器频率噪声的测量，其比采用光纤延迟法测量激光器线宽标定激光器频率性能的方法更精确。总之，本发明解决了超稳激光器频率噪声谱低噪声测量的难题，为超稳激光器的频率噪声水平提供了更高精度、更科学的测量手段，并能用于测量一般窄线宽激光器的频率噪声水平。通过噪声测量，能直接依据噪声谱确定影响激光器频率稳定度的噪声源，从而有针对性的优化激光系统，降低激光的频率噪声，在超稳激光和窄线宽激光应用于时间频率计量、基础物理研究、深空探测、空间科学等诸多领域，具有重要意义。另外，本发明具有结构简单、使用方便、测量精度高和附加噪声低的优点。

附图说明

附图1为本发明设计的低附加噪声的频率电压转换器的结构原理图。

附图2为本发明低附加噪声的频率电压转换器输入频率与输出电压的关系图。可以看出，本发明装置的输入频率与转换后的输出电压线性度好，能准确地将商用快速傅里叶变换仪测得的功率谱密度换算成频率谱密度。

附图3 为采用本发明测量频率噪声准确性验证的对比图。可以看出，两种测试方法的比较结果，在测量带宽内测试响应平坦度较好，误差在1dB范围内，测试结果准确可靠。

附图4 为测试本发明频率电压转换器的系统频率噪声谱。由图中可知，系统双边带测量噪底低于-20dB Hz²/Hz，能满足亚赫兹线宽超稳激光器频率噪声的测量。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案作进一步的详细说明。

本发明所设计的低附加噪声的频率电压转换器中，压控振荡器是频率电压转换器的核心部件，其噪声指标直接影响频率电压转换器的噪声指标，可以选择低相位噪声的压控振荡器ROS-1000C-519+；放大器可采用ERA-1SM+；衰减器可采用LAT-2；低噪声分频器应具有大尺度的分频功能，可采用MC12080；耦合器可选用PDC-10-54+；鉴相器可选用HMC439QS16G；环路滤波器可以选择市售的PI控制器，也可以选择THS4031放大器自行搭建；输出缓冲器可选择电压跟随器。

参见图1，为了得到更低的系统噪声曲线，可以通过更换相位噪声性能更好的压控振荡器，也可以通过更换分频数更高的低噪声分频器，分频器的分频数增加一倍，理论上相位噪声就会下降6dB。压控振荡器产生1 GHz左右的正弦波，功率约为-3dBm；其信号输出端接入放大增益为12dB的放大器1的信号输入端，放大后的输出信号功率约为5 dBm。

将此输出信号接入2dB的衰减器1的输入口，衰减2dB后从输出口送入分频器的信号输入端，分频器设置为40分频，分频后输出的信号频率为25MHz，功率为-7dBm左右，该输出信号进入放大器2的输入端，经放大后的输出功率为5dBm左右；再接入衰减为2dB的衰减器2的输入端，其输出信号进入耦合器的输入端，耦合器（耦合率为1:10）耦合端的输出功率约-14dBm，作为环路工作状态的监控端，耦合器的输出端接鉴相器的RF输入端，信号功率约2dBm。

鉴相器的VCO端输入待测激光器信号下转换的频率噪声信号（频率24.80MHZ~25.10MHz，功率3~7dBm）；该信号与RF端输入的参考信号比较后产生的相位差信号，经过环路滤波器进行比例积分运算，输出的电压信号分两路，一路作为压控振荡器的控制电压接入压控振荡器的电压控制端，使压控振荡器输出信号的相位跟随激光器信号下转换的频率噪声信号的相位，环路锁定，另一路经输出缓冲器作为频率电压转换器的输出电压。

待测激光器信号下转换的频率噪声信号作为鉴相器VCO端的输入信号，与压控振荡器产生的参考信号鉴相，得到相位差信号；该信号通过环路滤波器比例积分运算后控制压控振荡器的频率，使环路进入锁定状态。将压控振荡器的输入电压经过输出缓冲后，馈入商用快速傅里叶变换仪可测试待测信号的功率谱密度，单位为dB V²/Hz。通过调整待测信号频率，可以方便的标定频率电压转换器的频率电压转换系数，单位为V/Hz。参见图2，由图中数据计算频率电压转换系数为4.3E-6 V/Hz；再将商用快速傅里叶变换仪测试得到的结果换算为频率噪声功率谱密度，单位为dB Hz²/Hz。

参见图3，通过在输入端加入带有给定频率调制的低噪声信号，标定频率电压转换后测量的频率调制强度；选择调制频率为100Hz、1kHz、2kHz、20kHz、95kHz五个点进行测试；黑方块是采用本发明配合商用快速傅里叶变换仪测试得到的频率噪声功率谱密度，黑圆点是通过相位噪声测量法测得相位噪声水平后，计算获得的频率噪声。比较两种测试方法的平坦度可知，在100kHz测量范围内，测试响应平坦度较好，误差在1dB以内。

参见图4，其测试是采用高稳定的频率信号（频率噪声忽略不计）作为输入，然后测量本发明输出端对应的频率噪声谱。图中的黑色虚线是1Hz线宽的激光器含有白噪声的频率噪声，为-5dB Hz²/Hz。可以看出，本发明的测试频率区间为24.80MHz~25.10MHz，范围大于100千赫兹。在3Hz-100kHz的频率范围内，系统的双边带测量噪底低于-20 dB Hz²/Hz，远低于1Hz线宽的白频率噪声激光源的噪声水平。满足1Hz-100kHz范围内（噪声谱密度测量仪器的常用工作范围）测试亚赫兹线宽超稳激光器的频率噪声的要求。

Claims (1)

1.一种低附加噪声的频率电压转换器，包括压控振荡器，放大器，衰减器，低噪声分频器，耦合器，鉴相器，环路滤波器和输出缓冲器；其特征在于，所述的压控振荡器的高频输出信号接入第一放大器，经过放大的信号接入第一衰减器，第一衰减器的输出接入低噪声分频器，分频后的信号再依次经第二放大器和第二衰减器接入鉴相器，与输入鉴相器的待测激光器信号下转换的频率噪声信号鉴相后的差频信号接入环路滤波器，进行比例积分运算；环路滤波器的输出分两路，一路接到压控振荡器输入端，另一路接入输出缓冲器作为频率电压转换器的输出端；在第二衰减器和鉴相器之间设有耦合器，输出监控信号。