CN105577179A - 一种相位噪声可控的载波信号的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位噪声可控的载波信号的生成方法，包括如下步骤：S1、生成有色噪声数字信号；S2、存储与交互有色噪声数字信号；S3、基于有色噪声数字信号生成包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号；S4、基于多路包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号生成载波信号。本发明可实现150MHz～200MHz载波信号傅氏频偏10Hz～10MHz范围内相位噪声的准确控制。

Description

一种相位噪声可控的载波信号的生成方法

技术领域

本发明涉及频率源相位噪声技术领域。更具体地，涉及一种相位噪声可控的载波信号的生成方法。

背景技术

相位噪声作为频率源的一项关键指标，对电子系统的整体性能有着重大影响。如在通信系统中，相位噪声会使话路信噪比下降、误码率增加；在雷达系统中，相位噪声会降低雷达系统对目标的分辨能力，即改善因子；在接收机中，相位噪声会使接收机有效噪声系数增加。

在通信设施、接收机、雷达等电子系统的研制、测试与性能评估领域，尤其是在复杂现场环境下，除了正常的系统老化引起的性能恶化外，其他如振动、加速度、温度变化、电磁干扰等现场环境，都会使电子系统对频率源相位噪声的指标要求发生变化，从而影响电子系统的整体性能，甚至不能正常工作。目前，由于缺少有效的量化评估手段，无法准确标定不同环境条件下频率源相位噪声对电子系统性能指标的影响，也无法准确提出不同环境条件下电子系统频率源相位噪声的具体技术指标要求。为了保证电子系统的性能指标，除了可能的理论分析外，主要有两种解决途径：一种方法是通过反复试验完成设计、测试、性能评估等各项工作，这不仅增加了研制成本，而且延长了研制周期；另一种方法是对频率源相位噪声指标提出极为严格的要求，这很容易导致“过设计”，增加系统设备的复杂度和研制难度，并为此付出很大代价，如成本、功耗、体积、重量、研制周期等等。

在相位噪声测试系统计量校准领域，传统校准方法是多套相位噪声测量系统对同一个标准频率的晶振测试，然后将测试结果进行比对，由于晶振相位噪声的瞬时变化，其重复性在±3dB之内，比对的误差较大，给用户的判断带来很大的困难。另外，在相位噪声测量系统中，由于待测信号相噪类型的不同和相噪水平的不同会引起相噪测量系统中的低噪声放大器、噪声数据采集和近载频环路滤波器等部分表现出差异，导致最终的测量结果出现较大偏差。

因此，为量化电子系统在频率源不同相位噪声条件下的性能评估，明确电子系统对频率源相位噪声指标的具体要求，实现相位噪声测试系统在不同相位噪声水平下的准确计量校准，进行相位噪声动态调制技术研究，研制绝对相位噪声可任意设定的频率源具有重要意义。

目前，频率源载波信号相位噪声调制主要是通过模拟电路的方法实现，包括环路注入法和载波调制法，对数字实现方法的研究很少。

环路注入法是在锁相环的环路内加入噪声，直接用模拟噪声源调制振荡器或压控振荡器。虽然锁相环技术和白噪声源技术已经比较成熟，但输出信号相位噪声受到压控振荡器压控灵敏度以及环路带宽的约束，不仅需要较长的锁定时间和较大的噪声动态功率范围，而且难以做到较高的频率分辨力和控制精度，也难以模拟有色噪声曲线。

载波调制法是用相位调制器在相位锁定的压控振荡器输出端调制载波信号。这种方法将噪声电压注入到相位调制器，相位调制器将噪声电压转化为相位噪声，增加噪声电压就会增加相位噪声的调制幅度。这种相位调制方式对锁相环的环路带宽没有限制，所以为了获得更短的锁定时间，环路带宽可以尽可能宽。其另一个优点就是相位噪声的分布与压控振荡器的压控灵敏度无关，而是由相位调制度决定，具有与调制噪声功率谱密度分布一样的波形。这种方法的缺点是噪声电压都是采用模拟电路产生，难以实现对噪声电压幅度和形状的准确控制，也就难以实现频率源局部频偏相位噪声的准确控制。

因此，需要提供一种相位噪声可控的载波信号的生成方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相位噪声可控的载波信号的生成方法，以解决频率源输出的载波信号的相位噪声控制精度不高的问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种相位噪声可控的载波信号的生成方法，该方法包括如下步骤：

S1、生成有色噪声数字信号；

S2、存储与交互有色噪声数字信号；

S3、基于有色噪声数字信号生成包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号；

S4、基于多路包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号生成载波信号。

优选地，步骤S1进一步包括如下子步骤：

S1.1、采用伪随机码的方式产生白噪声数字信号

S1.2、采用多个数字低通滤波器并联的方式对白噪声数字信号进行数字滤波处理；

S1.3、对数字滤波处理后的多路白噪声数字信号进行求和运算，得到有色噪声数字信号。

优选地，步骤S2进一步包括如下子步骤：

S2.1、采用多片大容量高速闪存并行的方式将有色相位噪声信号数据分布存储；

S2.2、运用高速时钟并行调用，进行跨时钟域处理和数据分配，将不连续的数据整合成连续的数据流，从而实现有色相位噪声信号数据的调用。

优选地，步骤S3进一步包括如下子步骤：

S3.1、根据频率控制指令，生成频率控制信号；

S3.2、根据频率控制信号，生成原始相位控制信号；

S3.3、对原始相位控制信号与有色相位噪声数字信号进行数字混频，得到包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号。

优选地，步骤S4进一步包括如下子步骤：

S4.1、生成m路时钟信号，每路时钟信号的频率均为数模转换器时钟频率的1/m；

S4.2、根据m路包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号进行查表，得到m路相应的幅度控制数据；

S4.3、将m路幅度控制数据在时钟的控制下进行合路，得到与数模转换器时钟频率相匹配的连续数据流，经过数模转换器后得到相位噪声经过调制的载波信号。

本发明的有益效果如下：

本发明采用组合数字滤波的方式，实现了有色噪声数字信号功率谱密度的准确控制；采用多片大容量高速闪存并行、海量有色相位噪声数据分布存储与调用的方式，解决了载波信号相位噪声调制过程中的海量数据存储和实时调用问题；采用数字混频的方式，实现了有色噪声信息的相位调制；采用多路并行直接数字频率合成的方式实现了载波信号的高频率输出。本发明已成功实现150MHz～200MHz载波信号傅氏频偏10Hz～10MHz范围内相位噪声的准确控制，突破了现有的傅氏频偏100Hz以内相位噪声难以准确控制的限制。

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示出相位噪声可控的载波信号的生成方法的流程图。

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。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的相位噪声可控的载波信号的生成方法，包括如下步骤：

S1、生成有色噪声数字信号；

S2、存储与交互有色噪声数字信号；

S3、基于有色噪声数字信号生成包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号；

S4、基于多路包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号生成载波信号。

其中

步骤S1进一步包括如下子步骤：

S1.1、采用伪随机码的方式产生白噪声数字信号

S1.2、采用多个数字低通滤波器并联的方式对白噪声数字信号进行数字滤波处理；

S1.3、对数字滤波处理后的多路白噪声数字信号进行求和运算，得到有色噪声数字信号。

步骤S1的具体过程为：

首先利用现场可编程门阵列的处理器内核，采用伪随机码的方式产生白噪声数字信号，采用多个数字低通滤波器并联的方式形成组合滤波数字信号传输系统，对白噪声数字信号进行数字滤波处理，通过数字低通滤波器的拐点设计和幅度叠加效应实现组合滤波数字信号传输系统幅频响应曲线的准确控制。白噪声数字信号通过组合滤波数字信号传输系统后进行求和运算，即可得到有色噪声数字信号，其噪声信号的类型、形状等特性指标与组合滤波数字信号传输系统的幅频响应曲线一致。

假设白噪声的功率谱密度函数为S(f)，组合滤波数字信号传输系统的频率响应为H(j2πf)，则输出的有色噪声功率谱密度S′(f)可表示为：

S′(f)＝S(f)*[H(j2πf)]²(1)。

步骤S2进一步包括如下子步骤：

S2.1、采用多片大容量高速闪存并行的方式将有色相位噪声信号数据分布存储；

S2.2、运用高速时钟并行调用，进行跨时钟域处理和数据分配，将不连续的数据整合成连续的数据流，从而实现有色相位噪声信号数据的调用。

步骤S2的具体过程为：

为了实现较高频率载波信号近载频相位噪声调制，需要长噪声周期以提高相位噪声调制的频率分辨力，需要较高的时钟频率以提高输出载波信号的频率，因此将会产生海量的有色相位噪声信号数据。另外，由于噪声信号数据为浮点运算得到，运算量很大，处理器的运算能力无法满足实时性要求。故采用分步处理的方式同时满足海量数据存储和实时调用的需求。

首先，在现场可编程门阵列高速时钟的控制下，采用多片大容量高速闪存并行的方式将海量有色相位噪声信号数据分布存储。数据调用时，现场可编程门阵列运用高速时钟并行调用，进行跨时钟域处理和数据分配，将不连续的数据整合成连续的数据流的方式，从而实现有色相位噪声信号数据的调用，数据调用速率是单片高速闪存调用速率的N倍(N为高速闪存的片数)，满足了有色相位噪声信号数据的实时需求。

步骤S3进一步包括如下子步骤：

S3.1、根据频率控制指令，生成频率控制信号；

S3.2、根据频率控制信号，生成原始相位控制信号；

S3.3、对原始相位控制信号与有色相位噪声数字信号进行数字混频，得到包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号。

步骤S3的具体过程为：

理想正弦信号的表达式为：

A(t)＝sin(wt+φ)(2)

在公式(2)中，A为信号幅度，w为角频率，t为时间，φ为相位。

根据调相原理，对每个时刻的相位wt+φ加上一个噪声相位φ′，那么调制后信号为：

A′(t)＝sin(wt+φ+φ′)＝sin(wt+φ)cosφ′+cos(wt+φ)sinφ′(3)

由于噪声相位φ′趋近于零，根据窄带调相原理，可认为

cosφ′≈1，sinφ′≈φ′，那么：

A′(t)＝sin(wt+φ)+φ′cos(wt+φ)(4)

可见，调制后信号在频谱上表现为原始信号与噪声信号的叠加，形成相位噪声调制信号。

在现场可编程门阵列内部，基于直接数字频率合成技术，根据频率控制指令，可得到信号产生所需要的频率控制信号，根据频率控制信号进而得到原始相位控制信号，原始相位控制信号与有色相位噪声数字信号进行数字混频后，即可得到包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号。

步骤S4进一步包括如下子步骤：

S4.1、生成m路时钟信号，每路时钟信号的频率均为数模转换器时钟频率的1/m；

S4.2、根据m路包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号进行查表，得到m路相应的幅度控制数据；

S4.3、将m路幅度控制数据在时钟的控制下进行合路，得到与数模转换器时钟频率相匹配的连续数据流，经过数模转换器后得到相位噪声经过调制的载波信号。

步骤S4的具体过程为：

在现场可编程门阵列内部，由于受器件自身特性的限制，工作时钟频率不能满足直接数字频率合成高频率信号输出的要求，因此，为了实现输出信号的高频率，采用多路并行直接数字频率合成的方式。

基于直接数字频率合成的原理，设时钟频率为f_s，频率控制字为K，频率累加字为N，输出信号频率f_o，则有：

$f_o=\frac{K}{2^N}\·f_s---\left(5\right)$

若采用m路并行直接数字频率合成的方式实现，于每一路而言，相当于频率控制字K扩大为原来的m倍，那么最终输出信号频率f_mo为：

$f_{mo}=\frac{m\·K}{2^N}\·\frac{f_s}{m}---\left(6\right)$

式(5)、(6)说明，在输出信号频率不变的条件下，m路并行直接数字频率合成的时钟频率为原时钟频率f_s的1/m，降低了时钟的频率。同理，在单路时钟频率不变的条件下，m路并行直接数字频率合成的输出信号频率可提高m倍。

在现场可编程门阵列内部，直接数字频率合成的时钟频率要与数模转换器的时钟频率相匹配。在现场可编程门阵列内部生成m路时钟信号，单路直接数字频率合成的时钟频率,即m路时钟信号中每路时钟信号的频率为数模转换器时钟频率的1/m。利用现场可编程门阵列内部的直接数字频率合成器内核，根据包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号进行查表，得到m路相应的幅度控制数据。对于每一路的相位控制信号，首先要确定基准相位值，然后将频率控制字对应的相位控制字乘以m，作为相位累加器的累加量。

将m路幅度控制数据在时钟的控制下进行合路，得到与数模转换器时钟频率相匹配的连续数据流，经过数模转换器后即可得到相位噪声经过调制的载波信号。

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 (5)

1.一种相位噪声可控的载波信号的生成方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、生成有色噪声数字信号；

S2、存储与交互有色噪声数字信号；

S3、基于有色噪声数字信号生成包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号；

S4、基于多路包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号生成载波信号。

2.根据权利要求1所述的相位噪声可控的载波信号的生成方法，其特征在于，步骤S1进一步包括如下子步骤：

S1.1、采用伪随机码的方式产生白噪声数字信号

S1.2、采用多个数字低通滤波器并联的方式对白噪声数字信号进行数字滤波处理；

S1.3、对数字滤波处理后的多路白噪声数字信号进行求和运算，得到有色噪声数字信号。

3.根据权利要求1所述的相位噪声可控的载波信号的生成方法，其特征在于，步骤S2进一步包括如下子步骤：

S2.1、采用多片大容量高速闪存并行的方式将有色相位噪声信号数据分布存储；

S2.2、运用高速时钟并行调用，进行跨时钟域处理和数据分配，将不连续的数据整合成连续的数据流，从而实现有色相位噪声信号数据的调用。

4.根据权利要求1所述的相位噪声可控的载波信号的生成方法，其特征在于，步骤S3进一步包括如下子步骤：

S3.1、根据频率控制指令，生成频率控制信号；

S3.2、根据频率控制信号，生成原始相位控制信号；

S3.3、对原始相位控制信号与有色相位噪声数字信号进行数字混频，得到包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号。

5.根据权利要求1所述的相位噪声可控的载波信号的生成方法，其特征在于，步骤S4进一步包括如下子步骤：

S4.1、生成m路时钟信号，每路时钟信号的频率均为数模转换器时钟频率的1/m；

S4.2、根据m路包含有色相位噪声调制信息的相位控制信号进行查表，得到m路相应的幅度控制数据；

S4.3、将m路幅度控制数据在时钟的控制下进行合路，得到与数模转换器时钟频率相匹配的连续数据流，经过数模转换器后得到相位噪声经过调制的载波信号。