CN106338658B - 基于射频对消的相位噪声测量方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于射频对消的相位噪声测量方法。该方法将与待测微波信号频率相同的参考微波信号分为两路；利用其中一路参考微波信号与待测微波信号进行对消处理，从而将相位噪声对载波的相位调制转化为抑制载波的幅度调制；然后将对消处理后的信号与另外一路参考微波信号进行相干解调；最后通过对相干解调后信号的低频分量进行频谱分析得到待测微波信号的相位噪声。本发明还公开了一种基于射频对消的相位噪声测量装置。相比现有技术，本发明的测量灵敏度更高，校准过程更简便。
Description
技术领域
本发明涉及一种相位噪声测量方法、装置。
背景技术
相位噪声是评价微波源频率短期稳定度的重要指标。现今许多微波和射频系统对微波源的相位噪声提出越来越高的要求，如无线通信系统、雷达系统和数模转换(ADC)系统。在无线通信系统中，发射机中微波源的相位噪声影响上行链路的调制，接收机中的微波源的相位噪声影响下行链路的解调，最终导致解调信号的信噪比减小，误码率增大；在雷达系统中，本地振荡器的相位噪声限制雷达的距离分辨力和接收灵敏度。特别地，在多普勒雷达系统中为了准确探测到目标，相位噪声性能差的微波源需要更高的发射能量；在ADC系统中，采样时钟的相位噪声会带来采样误差，最终造成数字信号的信噪比降低，增大误码率。因此，简便准确的相位噪声测量技术对于微波或射频系统的设计与评价至关重要。
目前，相位噪声测量技术主要分为三大类：直接频谱分析技术、延时线鉴频技术和鉴相技术。直接频谱分析技术不能区分相位噪声和幅度噪声，测量灵敏度和带宽受限于频谱仪；延时线鉴频技术的测量灵敏度与延时长度有关，延时长度越长，测量灵敏度越高，但是却无法同时实现高灵敏度和大频偏范围测量；鉴相技术的测量灵敏度和带宽受限于参考微波源。另外，延时线鉴频技术和鉴相技术中，锁相环和鉴相器是不可或缺的组成部分。锁相环是为了保持两路输入鉴相器的信号相互正交，为了能够保证两路的正交，要求锁相环具有一定的带宽，这样低于锁相环路带宽的相位噪声将会被锁相环抑制，需要对测量值进行反向修正，使测量过程变得复杂，也使测量准确度降低；鉴相器是为了将两路输入信号的相位差转变为电压，而鉴相器的输出既与两路输入信号相位差有关，也与它们的幅度有关，而整个测量系统对信号幅度的影响是不可预知的，因此在测量前需要对系统作校准，校准结果是与待测源的幅度有关，进一步增加了校准的复杂度。综上所述，延时线鉴频技术和鉴相技术中，需要对系统校准，以修正锁相环和鉴相器对测量结果的影响，而校准过程又与输入信号幅度有关，既增加了测量复杂度，又降低了测量精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种相位噪声测量方法及相应的装置，其测量灵敏度更高，校准过程更简便。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于射频对消的相位噪声测量方法，将与待测微波信号频率相同的参考微波信号分为两路；利用其中一路参考微波信号与待测微波信号进行对消处理，从而将相位噪声对载波的相位调制转化为抑制载波的幅度调制；然后将对消处理后的信号与另外一路参考微波信号进行相干解调；最后通过对相干解调后信号的低频分量进行频谱分析得到待测微波信号的相位噪声。
作为本发明一个优选方案，所述对消处理具体为：将这一路参考微波信号调整为与待测微波信号反相且幅度相等后再与待测微波信号进行矢量相加。
上述优选方案利用微波处理技术实现对消处理，虽然结构简单，但存在测量带宽不足以及易受电磁干扰的问题，为了提高测量带宽并避免电磁干扰影响，本发明进一步提出了利用微波光子技术实现对消处理，具体采用以下优选方案：
所述对消处理具体为：将这一路参考微波信号、待测微波信号分别调制于相同的光载波上，分别生成参考调制光信号、待测调制光信号；然后通过对参考调制光信号功率与时延的调节改变参考微波信号的幅度与相位，使其与待测微波信号同幅且同相；最后对两路光信号作平衡光电探测，将它们转化为微波信号，并输出两者之差。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
基于射频对消的相位噪声测量装置，包括参考微波源、功分器、射频对消单元、混频器、低通滤波器、频谱分析单元；所述参考微波源可输出与待测微波信号频率相同的参考微波信号；所述功分器用于将参考微波源输出的参考微波信号分为两路并分别发送至射频对消单元和混频器；所述射频对消单元用于利用所接收的一路参考微波信号与待测微波信号进行对消处理，从而将相位噪声对载波的相位调制转化为抑制载波的幅度调制；所述混频器用于将所接收的一路参考微波信号与射频对消单元输出的对消处理后的信号进行相干解调；所述低通滤波器用于对混频器输出的相干解调后的信号进行低通滤波；所述频谱分析单元用于对低通滤波后的信号进行频谱分析得到待测微波信号的相位噪声。
优选地，所述射频对消单元包括：激光器、光耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、可变光衰减器、可调延时线、平衡光电探测器；所述激光器的输出端连接光耦合器的输入端；所述光耦合器的两个输出端分别连接第一电光调制器的输入端、第二电光调制器的输入端；第一电光调制器的驱动信号输入端用于连接待测微波信号；第二电光调制器的驱动信号输入端与所述功分器对应于射频对消单元的输出端连接；第一电光调制器的输出端连接到平衡光电探测器的一个输入端；第二电光调制器的输出端依次通过可变光衰减器、可调延时线后与平衡光电探测器的另一个输入端连接；平衡光电探测器的输出端连接混频器的射频输入端。
优选地，所述射频对消单元包括：可调衰减器、可调移相器、耦合器；所述功分器对应于射频对消单元的输出端连接可调衰减器的输入端，可调衰减器的输出端连接可调移相器的输入端，可调移相器的输出端与耦合器的一个输入端连接，耦合器的另一个输入端用于连接待测微波信号，耦合器的输出端连接混频器的射频输入端。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1)本发明采用射频对消技术将相位噪声对载波的相位调制转化为抑制载波的幅度调制，有效抑制了载波，提高了相位噪声测量灵敏度；
2)相对于延时线鉴频技术和鉴相技术，本发明不需要鉴相器和锁相环路，简化了校准的复杂度；去除了锁相环对相位噪声测量的影响，提高了测量准确度；
3)本发明进一步提出利用微波光子技术进行对消处理，具有测量带宽大，避免电磁干扰，动态范围大，可调节性强等优点。
附图说明
图1为本发明相位噪声测量装置一个具体实施例的结构原理示意图；
图2为本发明相位噪声测量装置另一个具体实施例的结构原理示意图；
图3为本发明相位噪声测量方法的仿真实验结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的目的是：克服现有相位噪声测量技术中锁相环和鉴相器所带来的测量不准确和校准过程复杂等不足；本发明的基本思路是：利用射频对消技术将相位噪声对载波的相位调制转化为抑制载波的幅度调制，抑制载波，提升测量灵敏度，从而可去除鉴相器和锁相环路，简化校准过程，提升测量准确度。
本发明基于射频对消的相位噪声测量装置，包括参考微波源、功分器、射频对消单元、混频器、低通滤波器、频谱分析单元；所述参考微波源可输出与待测微波信号频率相同的参考微波信号；所述功分器用于将参考微波源输出的参考微波信号分为两路并分别发送至射频对消单元和混频器；所述射频对消单元用于利用所接收的一路参考微波信号与待测微波信号进行对消处理，从而将相位噪声对载波的相位调制转化为抑制载波的幅度调制；所述混频器用于将所接收的一路参考微波信号与射频对消单元输出的对消处理后的信号进行相干解调；所述低通滤波器用于对混频器输出的相干解调后的信号进行低通滤波；所述频谱分析单元用于对低通滤波后的信号进行频谱分析得到待测微波信号的相位噪声。
为了便于公众理解本发明技术方案，下面以两个具体实施例来对其进行进一步详细说明。
图1显示了本发明一个实施例的结构，如图1所示，该相位噪声测量装置包括：待测源、参考源、功分器、衰减器、移相器、耦合器、混频器、低通滤波器和FFT分析仪。待测源与参考源输出微波信号频率相等且参考微波信号的相位噪声性能优于待测微波信号；功分器将参考微波信号分为两路，一路经衰减器和移相器输入到耦合器作对消，一路输入到混频器作相干解调；衰减器和移相器是为了调节参考微波信号的幅度和相位，使得移相器输入到耦合器的参考微波信号与待测源输入到耦合器的待测微波信号反相且幅度相等；耦合器将输入的两路信号进行矢量相加，从而将相位噪声对载波的相位调制转化为抑制载波的幅度调制；混频器对抑制载波的幅度调制信号作相干解调；低通滤波器滤除高频分量，最终通过FFT分析仪得到相位噪声。
设待测源输出的微波信号为
其中V0为待测微波信号幅度，w0为待测微波信号中心角频率，为其初相位，即为待测相位噪声。因为所以(1)式可以变为：
因为待测源与参考源输出微波信号频率相等且参考微波信号的相位噪声性能优于待测微波信号，所以参考源输出的微波信号可近似认为是理想的谐波：
其中V1为参考微波信号幅度，为其初相位。
则功分器输出两路微波信号，均为：
其中一路经衰减器和移相器输入到耦合器，记为：
调节衰减器衰减系数αA，使得αAV1=√2V0，调节移相器相移量使得则式(5)所表示的信号经耦合器和式(2)所表示的信号相加，则耦合器输出的信号为：
式(4)所表示的信号经混频器和式(6)所表示的信号相乘，则混频器输出的信号为：
式(7)所表示的信号经低通滤波器滤除高频分量，得到：
因为V0、V1、和均为常数，所以经FFT分析仪和简单的校准处理，就可以得到相位噪声的功率谱密度，即测得相位噪声。
图1所示相位噪声测量装置利用传统的微波技术来实现射频对消单元，虽然具有结构简单的优点，但存在测量带宽不足以及易受电磁干扰的问题，为了提高测量带宽并避免电磁干扰影响，本发明进一步提出了利用微波光子技术实现对消处理，所述对消处理具体为：将一路参考微波信号、待测微波信号分别调制于相同的光载波上，分别生成参考调制光信号、待测调制光信号；然后通过对参考调制光信号功率与相位的调节改变参考微波信号的幅度与相位，使其与待测微波信号同幅且同相；最后对两路光信号作平衡光电探测，将它们转化为微波信号，并输出两者之差。该测量装置的具体结构如图2所示，其中的射频对消单元采用微波光子技术实现，其具体包括：激光器、光耦合器、电光调制器1、电光调制器2、可变光衰减器、可调延时线、平衡光电探测器；所述激光器的输出端连接光耦合器的输入端；所述光耦合器的两个输出端分别连接电光调制器1的输入端、电光调制器2的输入端；电光调制器1的驱动信号输入端连接待测微波信号；电光调制器2的驱动信号输入端与所述功分器对应于射频对消单元的输出端连接；电光调制器1的输出端连接到平衡光电探测器的一个输入端；电光调制器2的输出端依次通过可变光衰减器、可调延时线后与平衡光电探测器的另一个输入端连接；平衡光电探测器的输出端连接混频器的射频输入端。
(2)式所表示的待测微波信号与(4)式所表示的参考微波信号共同通过图2中的射频对消单元后，平衡光电探测器的输出为：
其中，τ为图2中可调延时线所带来的延时，是可变的；α为图2中可变光衰减器对参考微波信号幅度的衰减系数。
调节可调延时线，使得调节可变光衰减器，使得αV1=√2V0;此时，平衡探测器的输出为：
类似于上述对图1测量原理的分析，可知图2中低通滤波器的输出为：
其中，k为常数，与待测源与参考源输出信号幅值、初相位、光电探测器响应度以及混频器增益等有关。最终，经FFT分析仪和简单的校准处理，就可以得到相位噪声的功率谱密度，即测得相位噪声。
为了说明本发明技术方案的有效性，借助Matlab对本发明测量方法进行了仿真。仿真参数如下：仿真采样率为1Msimples/s；待测源与参考源输出信号的频率均为10kHz，幅值分别为1和3，初相位分别为π/6和π/4；设置待测微波源输出信号在频偏10Hz、100Hz和500Hz处的相位噪声分别为-80dBc/Hz、-90dBc/Hz和-105dBc/Hz；设置参考源输出信号为不含相位噪声的纯净信号；低通滤波器的通带截止频率为1000Hz，阻带截止频率为3000Hz。
图3为使用本发明相位噪声测量方法仿真得到的相位噪声测量结果。图中虚线为本发明的测量结果，实线为实际的相位噪声曲线。从图中可以看出两者基本吻合，说明了本发明的有效性。
综上，本发明提出的相位噪声测量方法，利用射频对消技术将相位噪声对载波的相位调制转化为抑制载波的幅度调制，抑制载波，提升测量灵敏度；不需要锁相环路和鉴相器，大大简化了校准过程；避免了锁相环对相位噪声的抑制，提高了测量准确度；本发明进一步提出利用微波光子技术进行对消处理，具有测量带宽大，免电磁干扰，动态范围大，可调节性强等优点。
Claims (6)
1.基于射频对消的相位噪声测量方法，其特征在于，将与待测微波信号频率相同的参考微波信号分为两路；利用其中一路参考微波信号与待测微波信号进行对消处理，从而将相位噪声对载波的相位调制转化为抑制载波的幅度调制；然后将对消处理后的信号与另外一路参考微波信号进行相干解调；最后通过对相干解调后信号的低频分量进行频谱分析得到待测微波信号的相位噪声。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述对消处理具体为：将这一路参考微波信号调整为与待测微波信号反相且幅度相等后再与待测微波信号进行矢量相加。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述对消处理具体为：将这一路参考微波信号、待测微波信号分别调制于相同的光载波上，分别生成参考调制光信号、待测调制光信号；然后通过对参考调制光信号功率与时延的调节改变参考微波信号的幅度与相位，使其与待测微波信号同幅且同相；最后对两路光信号作平衡光电探测，将它们转化为微波信号，并输出两者之差。
4.基于射频对消的相位噪声测量装置，其特征在于，包括参考微波源、功分器、射频对消单元、混频器、低通滤波器、频谱分析单元；所述参考微波源可输出与待测微波信号频率相同的参考微波信号；所述功分器用于将参考微波源输出的参考微波信号分为两路并分别发送至射频对消单元和混频器；所述射频对消单元用于利用所接收的一路参考微波信号与待测微波信号进行对消处理，从而将相位噪声对载波的相位调制转化为抑制载波的幅度调制；所述混频器用于将所接收的一路参考微波信号与射频对消单元输出的对消处理后的信号进行相干解调；所述低通滤波器用于对混频器输出的相干解调后的信号进行低通滤波；所述频谱分析单元用于对低通滤波后的信号进行频谱分析得到待测微波信号的相位噪声。
5.如权利要求4所述装置，其特征在于，所述射频对消单元包括：激光器、光耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、可变光衰减器、可调延时线、平衡光电探测器；所述激光器的输出端连接光耦合器的输入端；所述光耦合器的两个输出端分别连接第一电光调制器的输入端、第二电光调制器的输入端；第一电光调制器的驱动信号输入端用于连接待测微波信号；第二电光调制器的驱动信号输入端与所述功分器对应于射频对消单元的输出端连接；第一电光调制器的输出端连接到平衡光电探测器的一个输入端；第二电光调制器的输出端依次通过可变光衰减器、可调延时线后与平衡光电探测器的另一个输入端连接；平衡光电探测器的输出端连接混频器的射频输入端。
6.如权利要求4所述装置，其特征在于，所述射频对消单元包括：可调衰减器、可调移相器、耦合器；所述功分器对应于射频对消单元的输出端连接可调衰减器的输入端，可调衰减器的输出端连接可调移相器的输入端，可调移相器的输出端与耦合器的一个输入端连接，耦合器的另一个输入端用于连接待测微波信号，耦合器的输出端连接混频器的射频输入端。
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