CN104777375A - 一种互相关相位噪声检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种互相关相位噪声检测装置，该装置包括待测信号相位检测单元、参考信号相位检测单元、第一减法器、第二减法器和互功率谱计算模块。本发明所述技术方案优点在于：输入信号频率可覆盖数百兆范围任意单频点，实现近载频相位噪声的实时测量；测试系统不需要与待测源同频、正交的参考源；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；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；与现有技术中去噪声的数字相位噪声测量系统相比，互相关测量系统的噪声底部指标大约提高30dBc/Hz。
Description
技术领域
本发明涉及相位噪声测量装置。更具体地，涉及一种数字化互相关相位噪声检测装置。
背景技术
由于高稳晶振和原子频率标准广泛应用于通信电子设备、雷达微波链路的本振及时间参考标准，相位噪声指标反映了振荡器的相位抖动和短期稳定度，是评估振荡器性能的关键指标。相位噪声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，而在多普勒雷达系统中，通过测量雷达回波的近载频相位噪声，可侦查低速运动的目标。
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，主要包括双源检相法、单源法、频谱仪法等。
这些测量装置主要存在以下缺点：1)双源检相法，对参考源要求严格，待测源与参考源必须同频、正交，锁相环的带宽特性使近载频测量不准确，需要进行环路带宽修正，锁相环易失锁，系统稳定性较差；2)单源法：需要对待测源频率起伏和鉴频器输出电压间的关系进行定标，近载频处系统灵敏度较低，测量结果需加权修正；3)频谱仪法：受频谱仪性能限制，测量结果较差，且不能测量高稳晶振、原子频标等低噪声信号源。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种数字化互相关相位噪声检测装置，以解决其他测量方法中操作复杂、系统稳定性差、测量局限性大的问题，通过选取高精度的参考源及简单的按键操作即可测量数百兆频率范围内任意载频1Hz至1MHz频偏范围内的相位噪声。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种互相关相位噪声检测装置，该检测装置包括：
待测信号相位检测单元，用于检测待测信号相对本振信号的相位差；
参考信号相位检测单元，用于检测参考信号相对本振信号的相位差；
第一减法器，基于待测信号相对本振信号的相位差和参考信号相对本振信号的相位差进行减法运算，获得第一过渡信号；
第二减法器，基于待测信号相对本振信号的相位差和参考信号相对本振信号的相位差进行减法运算，获得第二过渡信号；
互功率谱计算模块，用于对所述第一过渡信号和所述第二过渡信号进行互相关功率谱计算，获得待测信号的相位噪声。
优选的，所述待测信号相位检测单元包括
第一正交功分器，用于将所述待测信号分为与所述待测信号同相的第一路同相信号和第二路同相信号以及与所述待测信号正交的第一路正交信号和第二路正交信号；
第一相位检测器，用于检测由第一正交功分器输出的待测信号的第一路同相信号和待测信号的第一路正交信号相对于第一相位检测单元的相位差信号；
第三相位检测器，用于检测由第一正交功分器输出的待测信号的第二路同相信号和待测信号的第二路正交信号相对于第三相位检测单元内部本振信号的相位差信号。
优选的，所述第一相位检测单元和第三相位检测单元输出信号互相对称，并且为两个互相关分量。
优选的，所述参考信号相位检测单元包括
第二正交功分器，用于将所述参考信号分为与所述参考信号同相的第一路同相信号和第二路同相信号及与所述参考信号正交的第一路正交信号和第二路正交信号；
第二相位检测器，用于检测由第二正交功分器输出的参考信号的第一路同相信号和参考信号的第一路正交信号相对于第二相位检测单元内部本振信号的相位差信号；
第四相位检测器，用于检测由第二正交功分器输出的参考信号的第二路同相信号和参考信号的第二路正交信号相对于第四相位检测单元内部本振信号的相位差信号。
优选的，所述第二相位检测单元和第四相位检测单元输出信号相互对称，并且为两个互相关分量。
优选的，所述的第一至第四相位检测单元都包括
高分辨率正交带通采样单元用于增加输入信号的频率覆盖范围、提高信号数字化精度；
数字下变频单元，用于对信号进行混频、抽取和滤波处理。
优选的，该检测装置还包括
第一预处理器，用于对待测信号进行频率和幅度的测量以及滤波处理；
第二预处理器，用于对参考信号进行频率和幅度的测量以及滤波处理。
优选的，该检测装置还包括
数字频率合成器，用于为正交功分后的待测信号和参考信号提供同步时钟信号，同时为各相位检测单元提供采样时钟信号和本地振荡信号。
优选的，该装置还包括结果输出单元，用于向外部设备输出待测信号的相位噪声。
本发明的有益效果如下：
1、输入信号频率可覆盖数百兆范围任意单频点，实现近载频相位噪声的实时测量；
2、测试系统不需要与待测源同频、正交的参考源；
3、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；
4、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；
5、与现有技术中去噪声的数字相位噪声测量系统相比，互相关测量系统的噪声底部指标大约提高30dBc/Hz。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明所述一种互相关相位噪声检测装置的示意图；
图2示出本发明所述相位检测器内部模块的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。
如图1所示一种互相关相位噪声检测装置，该检测装置包括待测信号相位检测单元、参考信号相位检测单元、第一预处理器11、第二预处理器12、数字频率合成器3、第一减法器51、第二减法器52、互功率谱计算单元6和结果输出单元7；待测信号相位检测单元包括第一正交功分器21、第一相位检测器41和第三相位检测器43；参考信号相位检测单元包括第二正交功分器22、第二相位检测器42和第四相位检测器44。其中，第一预处理器11用于对待测信号进行频率和幅度的测量以及滤波处理；第二预处理器12用于对参考信号进行频率和幅度的测量以及滤波处理；第一正交功分器21用于产生与待测信号的两路同相信号和两路正交信号，具体的是将所述待测信号分为与其同相的第一路同相信号1A和第二路同相信号1a以及与其正交的第一路正交信号1B和第二路正交信号1b；第二正交功分器22用于产生与参考信号的两路同相信号和两路正交信号，具体的是将参考信号同相的第一路同相信号2A和第二路同相信号2a及与参考信号正交的第一路正交信号2B和第二路正交信号2b；第一相位检测器41用于检测由第一正交功分器21输出的待测信号的第一路同相信号和待测信号的第一路正交信号相对于第一相位检测器41的相位差信号；第三相位检测器43用于检测由第一正交功分器21输出的待测信号的第二路同相信号和待测信号的第二路正交信号相对于第三相位检测器43内部本振信号的相位差信号；第二相位检测器42用于检测由第二正交功分器22输出的参考信号的第一路同相信号和参考信号的第一路正交信号相对于第二相位检测器42内部本振信号的相位差信号；第四相位检测器44用于检测由第二正交功分器22输出的参考信号的第二路同相信号和参考信号的第二路正交信号相对于第四相位检测器44内部本振信号的相位差信号；数字频率合成器3用于为正交功分后的待测信号和参考信号提供同步时钟信号，同时为各相位检测器提供采样时钟信号和本地振荡信号；第一减法器51用于对所述第一相位检测器41和第二相位检测器42检测的相位差信号进行减法运算，获得第一过渡信号；第二减法器52用于对所述第三相位检测器43和第四相位检测器44检测的相位差信号进行减法运算，获得第二过渡信号；互功率谱计算模块6用于对所述第一过渡信号和所述第二过渡信号进行互相关功率谱计算，获得待测信号的相位噪声。本发明所述技术方案中所述第一相位检测器41和第三相位检测器43的输出信号互相对称，并且为两个互相关分量；所述第二相位检测器42和第四相位检测器44的输出信号相互对称，并且为两个互相关分量；如图2所示，所述的第一至第四相位检测器都包括高分辨率正交带通采样模块用于增加输入信号的频率覆盖范围、提高信号数字化精度；数字下变频模块，用于对信号进行混频、抽取和滤波处理。本发明所述装置还包括结果输出单元7，用于向外部设备输出待测信号的相位噪声。
本发明所述相位噪声检测装置的工作原理：在初始化过程中，首先通过第一预处理器11和第二预处理器12，对输入信号和参考信号分别进行频率和幅度的测量以及抗混叠滤波等预处理，输入的待测信号经过第一预处理器11进行频率和幅度测量，测量到的频率信号用于提取待测信号频率与参考信号频率不相同时的比例计算因子，使待测信号与参考信号具有可比性，测量到的幅度信号传递给预处理器中的衰减器，以调整信号衰减量，通过上述调整，可以获得第一相位检测器41和第三相位检测器43采样所需的最佳动态范围；完成限幅及滤波处理后，输出信号进入第一正交功分器21，生成四路输出信号，其中两路信号是与输入的待测信号同相的第一路同相信号1A和第二路同相信号1a，另外两路信号是与输入的待测信号正交的第一路正交信号1B和第二路正交信号1b；将其中的信号1A和信号1B输入至第一相位检测器41，将信号1a和信号1b输入至第三相位检测器43；参考信号经过第二预处理器12进行频率和幅度测量，测量到的频率信号用于与待测信号频率进行因子计算，测量到的幅度信号传递给第二预处理器12中的衰减器，获得第二相位检测器42和第四相位检测器44采样所需的最佳动态范围；完成限幅处理和抗混叠滤波后，输出信号进入第二正交功分器，生成四路输出信号，其中两路信号是与参考信号同相的第一路同相信号2A和第二路同相信号2a，另外两路信号是与参考信号正交的第一路正交信号和第二路正交信号；将信号2A和信号2b输入至第二相位检测器42，将信号2a和信号2b输入至第四相位检测器44。
第一至第四相位检测器都包括高分辨率正交带通采样模块和数字下变频模块，采用双通道正交带通采样方法在提高输入信号的频率范围的同时，可有效降低采样噪声，随着采样频率的提高，时钟的抖动引入的噪声将占主导地位，最终限制了高速采样时的信噪比，在整个采样期间，每当其中一个通道采样信号质量差时，在同一时刻，另一个通道必能提供高质量采样信号，有效地减小了孔径抖动噪声；相位检测器完成正交带通采样后即进行下变频处理，数字下变频单元包括混频、抽取及滤波等处理，混频后的基带相位信号进行反正切、解卷绕、抽取等计算，实现相位检测，其中，信号抽取用于降低相位信号速率，相位解卷绕计算用于正确输出实际测量的相位值，将相位检测结果输出到后续减法器中进一步处理。
第一减法器51对所述第一相位检测器41输出的待测相对本振的相位差信号与所述第二相位检测器42输出的参考信号相对本振信号的相位差进行减法运算，获得待测相对参考的相位噪声，为第一过渡信号；第二减法器52对所述第三相位检测器43输出的待测信号相对本振信号的相位差与所述第四相位检测器44输出的参考信号相对本振信号的相位差进行减法运算，获得待测相对参考的相位噪声的互相关分量，为第二过渡信号；经过两个减法器后，仪器内部本振信号相位噪声已被消除。
利用互相关谱计算模块6对所述第一过渡信号和第二过渡信号进行互相关功率谱计算，为了实现功率谱密度的高效估值，根据输入信号的测试带宽，将傅立叶频谱分解为一系列具有不同频率分辨率的区间，对应不同的傅里叶频率，分别采用不同的抽头系数进行抽取，以提高处理速度，获得各傅里叶频率区间的相位噪声互相关功率谱密度，即可表征待测相对参考的相位噪声，由结果输出单元7对测量结果进行显示，实现互相关相位检测。
综上所述，本发明所述技术方案优点在于：输入信号频率可覆盖数百兆范围任意单频点，实现近载频相位噪声的实时测量；测试系统不需要与待测源同频、正交的参考源；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；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；与现有技术中去噪声的数字相位噪声测量系统相比，互相关测量系统的噪声底部指标大约提高30dBc/Hz。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种互相关相位噪声检测装置，其特征在于，该检测装置包括：
待测信号相位检测单元，用于检测待测信号相对本振信号的相位差；
参考信号相位检测单元，用于检测参考信号相对本振信号的相位差；
第一减法器，基于待测信号相对本振信号的相位差和参考信号相对本振信号的相位差进行减法运算，获得第一过渡信号；
第二减法器，基于待测信号相对本振信号的相位差和参考信号相对本振信号的相位差进行减法运算，获得第二过渡信号；
互功率谱计算模块，用于对所述第一过渡信号和所述第二过渡信号进行互相关功率谱计算，获得待测信号的相位噪声。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述待测信号相位检测单元包括
第一正交功分器，用于将所述待测信号分为与所述待测信号同相的第一路同相信号和第二路同相信号以及与所述待测信号正交的第一路正交信号和第二路正交信号；
第一相位检测器，用于检测由第一正交功分器输出的待测信号的第一路同相信号和待测信号的第一路正交信号相对于第一相位检测单元的相位差信号；
第三相位检测器，用于检测由第一正交功分器输出的待测信号的第二路同相信号和待测信号的第二路正交信号相对于第三相位检测单元内部本振信号的相位差信号。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述第一相位检测单元和第三相位检测单元输出信号互相对称，并且为两个互相关分量。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述参考信号相位检测单元包括
第二正交功分器，用于将所述参考信号分为与所述参考信号同相的第一路同相信号和第二路同相信号及与所述参考信号正交的第一路正交信号和第二路正交信号；
第二相位检测器，用于检测由第二正交功分器输出的参考信号的第一路同相信号和参考信号的第一路正交信号相对于第二相位检测单元内部本振信号的相位差信号；
第四相位检测器，用于检测由第二正交功分器输出的参考信号的第二路同相信号和参考信号的第二路正交信号相对于第四相位检测单元内部本振信号的相位差信号。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述第二相位检测单元和第四相位检测单元输出信号相互对称，并且为两个互相关分量。
6.根据权利要求1任意一项所述的检测装置，其特征在于，所述的第一至第四相位检测单元都包括
高分辨率正交带通采样单元用于增加输入信号的频率覆盖范围、提高信号数字化精度；
数字下变频单元，用于对信号进行混频、抽取和滤波处理。
7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，该检测装置还包括
第一预处理器，用于对待测信号进行频率和幅度的测量以及滤波处理；
第二预处理器，用于对参考信号进行频率和幅度的测量以及滤波处理。
8.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，该检测装置还包括
数字频率合成器，用于为正交功分后的待测信号和参考信号提供同步时钟信号，同时为各相位检测单元提供采样时钟信号和本地振荡信号。
9.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，该装置还包括结果输出单元，用于向外部设备输出待测信号的相位噪声。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |