CN106569046A - 改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置及方法，包括混频滤波单元，混频滤波单元连接功分器的输入端，功分器的输出端通过移相器和延迟线单元分别连接至同一鉴相器的输入端，鉴相器的输出端与滤波放大单元连接，滤波放大单元还通过模数转换器连接至处理器；延迟线单元包括与功分器输出端连接的第一射频开关，第一射频开关还通过并联的第一延迟线和第二延迟线与第二射频开关连接，第二射频开关还连接至鉴相器的输入端；第一射频开关和第二射频开关用于在第一延迟线和第二延迟线之间进行线路切换；处理器用于判断得出最终测量数据；本发明解决了现有技术中测量系统误差大精度低以及可测量频偏的范围小的问题。

Description

改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置及方法

【技术领域】

本发明属于测试仪器领域，具体涉及改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置及方法。

【背景技术】

时频测控技术在测试计量技术中，甚至在几乎整个高科技领域都起着举足轻重的作用。一方面，它的发展受到国外大企业的高度重视；另一方面，从专业的角度来看时频测控技术，它涵盖的内容越来越广泛，不仅精度越来越高，而且应用的市场也越来越大。时频测控领域包括了时间频率的基准器件、各种频率源、时频信号的测量比对与传输、时间频率信号的处理技术等。频率源作为一种电子设备，输出信号受到内部各种电子噪声的影响，使其频率不是一个恒定值，所以相位噪声是一项重要指标。通过对它的测量与研究，可应用于频率源的设计和提高频率源的质量。随着雷达、通信、导航等现在电子系统的广泛应用和迅速发展，对标准信号使用高精度频率源，特别是对频率源的稳定性提出了越来越高的要求。相位噪声是射频及微波振荡器的一个重要指标，它的好坏直接影响到很多射频及微波系统的性能。不论是做发射激励信号，还是接收机本振信号，相位噪声最终都会在解调后叠加在期望信号上面，引起信噪比下降。在通信系统中使误码率增大，在多普勒雷达系统中，其内置本地振荡器的相位噪声可能会淹没目标信号。在导航定位系统中，会严重影响定位精度。因此，对于相位噪声的测量引起了测试仪器产业界的广泛重视。

相位噪声是指由系统内部各种随机噪声所引起的瞬时的频率抖动或相位的起伏，它是信号短期频率稳定度的重要指标，是信号质量的直接体现。对信号的测量可以分别从时域及频域来描述相位噪声，在频域中一般用能够表现信号频谱纯净度的相位噪声谱密度函数来表征相位噪声，函数表现出的频谱纯净度越高表明相位噪声越小；而表现形式为频率平均值随机起伏的阿伦方差则被用于相位噪声的时域表征。

目前应用广泛的相位噪声测试技术是鉴相法，如安捷伦公司的E5500系统等产品。采用该方法的优点是灵敏度高于其他方法，如鉴频法、直接频谱法等。但是，鉴相法很难测试稳定度低的信号源。因此，特定场景下，还是需要采用鉴频法。传统的鉴相法存在延迟线损害过大的缺点。最近有研究改变为中频延迟线使测试灵敏度得到很大改善。然而其采用了两个鉴相器支路，引入到系统的误差变大且影响灵敏度。

传统的基于延迟线的鉴频法中，待测信号源输出的信号经过功分器后分为两路，一路信号通过延迟线，另外一路信号通过移相器。然后，信号进入到鉴相器，延迟线作为鉴频器使用，移相器要保证鉴相器输入的信号满足正交条件。从而，鉴相器的输出与待测信号源的频率波动成正比。

传统的鉴频法的主要缺点是测量灵敏度受到延迟线的限制。延迟线越长测量灵敏度越高，但是延迟线越长导致信号的损耗越大，信号的损耗越大测量灵敏度越低。另外，延迟线的损耗会随着待测信号源的频率升高而变大。从而，当测试信号源频率高时(例如测试毫米波信号源)，灵敏度会大大降低。

A.S.Barzegar等人2016年7月提出了一种中频延迟线鉴频方法，其成果发表在《IEEE Microwave and wireless componets letters》上面。该方法首先把射频(微波)信号源下变频到中频，然后再采用延迟线方法。由于中频信号的频率一般采用几十MHz，传输线损耗相对于射频(微波)信号大大降低，从而可以使用更长的延迟线。这里要特别注意：该方法与鉴相法的区别，该方法的本振信号源不需要锁定待测信号源。

中频延迟线鉴频方法具有以下缺点：系统比传统的鉴相法多了一个支路，其包括功分器及混频等，这些器件的引入进一步加大了系统的误差，且其复杂度及成本进一步加大。同时，延迟线加长后系统灵敏度提高，但是测试相位噪声的频偏变小。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置及方法，以解决现有技术中的复杂度及成本高、系统误差大精度低以及可测量频偏的范围小的问题。

本发明所采用的第一种技术方案是，改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置，包括混频滤波单元，混频滤波单元连接功分器的输入端，功分器的输出端通过移相器和延迟线单元分别连接至同一鉴相器的输入端，鉴相器的输出端与滤波放大单元连接，滤波放大单元还通过模数转换器连接至处理器；

延迟线单元包括与功分器输出端连接的第一射频开关，第一射频开关还通过并联的第一延迟线和第二延迟线与第二射频开关连接，第二射频开关还连接至鉴相器的输入端；

混频率波单元用于将待测合成信号源和本机信号源进行混频，并将混频后的信号进行过滤，以得出所需的信号；第一射频开关和第二射频开关用于在第一延迟线和第二延迟线之间进行线路切换；处理器用于根据采用不同延迟线时所测得的不同频偏，得出最终测量数据。

进一步地，混频滤波单元包括输入端分别连接有待测合成信号源和本机信号源的混频器，混频器的输出端连接至带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端与功分器的输入端连接。

进一步地，滤波放大单元包括与鉴相器输出端连接的低通滤波器，低通滤波器的输出端连接至低噪声放大器的输入端，低噪声放大器的输出端与模数转换器连接。

进一步地，本机信号源与待测合成信号源的差频为10MHz-100MHz。

本发明采用的第二种技术方案是，改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试方法，包括上述的改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置，并按照以下步骤实施：

步骤一、将待测合成信号源与本机信号源通过混频器进行混频，并将混频后的信号送入带通滤波器，调整带通滤波器的中心频率，得出过滤后的信号s₂(t)，并将其送入功分器，其中t表示时间；

步骤二、通过功分器将信号s₂(t)分为两路输出：一路信号依次经过第一射频开关、第一延迟线、第二射频开关得到信号s_3A(t)；

另一路信号经过移相器得到信号s_3B(t)，将两路信号均依次送入鉴相器、低通滤波器、低噪声放大器，得出处理后的信号s₄(t)；

步骤三、将步骤二中得出的信号s₄(t)的参数进行调整，并经过模数转换器转换成数字信号得出在使用第一延迟线时测出的瞬时频偏量化值ΔV₁，保存至处理器中；

步骤四、将第一射频开关和第二射频开关均切换到第二延迟线后，重复执行上述步骤二至步骤三，得出装置在使用第二延迟线时测出的瞬时频偏量化值ΔV₂；处理器根据测量频偏的不同，得出最终测量出的相位噪声。

进一步地，步骤一中的信号s₂(t)通过公式得出，步骤二中的信号s_3A(t)通过公式得出，步骤二中的信号s_3B(t)通过公式得出，步骤二中的信号s₄(t)通过公式得出；

其中，V₀为信号的振幅，π为圆周率，f₀为信号的频率，f_m为信号的最大可测量的相位噪声的频偏，τ₁为第一延迟线的时延，Δf为测试频偏，φ为相移器的相移值，K_φ为鉴相器的鉴相常数。

进一步地，步骤三中参数调整具体方法为：

调整各个参数使其同时满足-2πf₀τ₁+φ＝π/2、和时，得出其经模数转换器转换后的瞬时频偏量化值为ΔV₁≈K_φ12πτ₁Δf₁，其中，K_φ1为使用第一延迟线时的鉴相器的鉴相常数，Δf₁为使用第一延迟线时的测试频偏。

进一步地，步骤四中得出最后测量数据的具体方法为：

当测试频偏Δf＜1/τ₁时，所测量的瞬时频偏量化值为ΔV₁≈K_φ12πτ₁Δf₁，当测试频偏Δf≥1/τ₁时，所测量的瞬时频偏量化值为ΔV₂≈K_φ22πτ₂Δf₂；

其中K_φ2为使用第二延迟线(8)时的所述鉴相器(11)的鉴相常数，τ₂为第二延迟线(8)时延，Δf₂为使用第二延迟线(8)是的测试频偏。

进一步地，本机信号源与待测合成信号源的差频为10MHz-100MHz。

本发明的有益效果是：通过将频率较高的待测信号经过下变频后变换带中频，然后再对中频信号采用基于延迟线的鉴相法，一方面得到了中频延迟线的优点，另外一方面系统的复杂度及成本降低，同时，本发明引入的系统误差变小，提高了测量精度，且中频延迟线采用两种不同长度的延迟线，分别进行测试并对测试结果进行合成，有效的改善了测试相位噪声的频偏，在提高测量灵敏度的同时，增大了可测量频偏的范围。

【附图说明】

图1为本发明改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置相位噪声测试装置的结构示意图；

图2为本发明方法与IFDLBD方法的相位噪声测试结果对比图；

图3为基于延迟线的鉴频法的结构框图；

图4为基于中频延迟线鉴频法的结构框图。

其中：1.待测合成信号源；2.本机信号源；3.混频器；4.带通滤波器；5.功分器；6.第一射频开关；7.第一延迟线；8.第二延迟线；9.第二射频开关；10.移相器；11.鉴相器；12.低通滤波器；13.低噪声放大器；14.模数转换器；15.处理器。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置，参见图1，包括混频滤波单元，混频滤波单元包括输入端分别连接有待测合成信号源1和本机信号源2的混频器3，混频器3的输出端连接至带通滤波器4输入端，带通滤波器4的输出端与功分器5的输入端连接。

混频率波单元用于将待测合成信号源1和本机信号源2进行混频，并将混频后的信号进行过滤，以得出所需的信号，本机信号源2与待测合成信号源1的差频为10MHz-100MHz。

混频滤波单元连接功分器5的输入端，功分器5的输出端通过移相器10和延迟线单元分别连接至同一鉴相器11的输入端；

延迟线单元包括与功分器5输出端连接的第一射频开关6，第一射频开关6还通过并联的第一延迟线7和第二延迟线8与第二射频开关9连接，第二射频开关9还连接至鉴相器11的输入端；

第一射频开关6和第二射频开关9用于在第一延迟线7和第二延迟线8之间进行线路切换；

鉴相器11的输出端与滤波放大单元连接，滤波放大单元还通过模数转换器14连接至处理器15；

滤波放大单元包括与鉴相器11输出端连接的低通滤波器12，低通滤波器12的输出端连接至低噪声放大器13输入端，低噪声放大器13的输出端与模数转换器14连接。

处理器15用于根据采用不同延迟线时所测得的不同频偏，判断得出最终测量数据。

本发明的第二种技术方案是，一种改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试方法，包括上述方案中的改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置，并按照以下步骤实施：

步骤一、将待测合成信号源1，即s₁(t)，其频率为f_LO；该待测合成信号源1可为锁相频率合成信号源、自由振荡信号源等；

该待测合成信号源1与本机信号源2通过混频器3进行混频，本机信号源为s_LO(t)，其频率为f_LO，且f_LO和f_LO的差频保持10MHz-100MHz，混频后得到的信号频率成分包含f_DUT±f_LO，将混频后的信号送入带通滤波器4的输入端，调整带通滤波器4的中心频率为f_DUT-f_LO，则得出过滤后的信号s₂(t)，且将频率为f_DUT+f_LO的信号过滤掉，得出信号s₂(t)，且其频率为f₀＝f_DUT-f_LO，即并将信号s₂(t)送入功分器5，其中t表示时间，V₀为信号的振幅，π为圆周率，f₀为信号的频率，f_m为信号的最大可测量的相位噪声的频偏，Δf为测试频偏；

步骤二、通过功分器(5)将信号s₂(t)分为两路信号输出：一路信号依次经过第一射频开关6、第一延迟线7、第二射频开关9并得到信号s_3A(t)，s_3A(t)通过公式得出，其中，τ₁为第一延迟线的时延，Δf为测试频偏；

另一路信号经过移相器10后得到信号s_3B(t)，信号s_3B(t)通过公式得出，两路信号s_3A(t)、s_3B(t)均依次经过鉴相器11、低通滤波器12、低噪声放大器13，得出处理后的信号s₄(t)， 其中，K_φ为鉴相器的鉴相常数，φ为相移器的相移值；

步骤三、将步骤二中得出的信号s₄(t)的参数进行调整，并经过模数转换器14转换成数字信号，得出在使用第一延迟线7时的相位噪声ΔV₁，保存至处理器15中；

其具体调整方法为：调整各个参数使其同时满足-2πf₀τ₁+φ＝π/2、和时，得出其经模数转换器14转换后的瞬时频偏量化值ΔV₁≈K_φ12πτ₁Δf₁，其中，K_φ1为使用第一延迟线7时的鉴相器11的鉴相常数，Δf₁为使用第一延迟线7时的测试频偏；

步骤四、将第一射频开关6和第二射频开关9均切换到第二延迟线8，重复执行上述步骤一至步骤三，得出当使用第二延迟线8时的瞬时频偏量化值ΔV₂，ΔV₂≈K_φ22πτ₂Δf₂，其中K_φ2为使用第二延迟线8时的鉴相器11的鉴相常数，τ₂为第二延迟线的时延，Δf₂为使用第二延迟线8时的测试频偏；

处理器15根据两次测量频偏的不同，得出最后的测量数据，即当测试频偏Δf＜1/τ₁时候，所测量的瞬时频偏量化值ΔV₁≈K_φ12πτ₁Δf₁，当测试频偏Δf≥1/τ₁时，所测量的瞬时频偏量化值ΔV₂≈K_φ22πτ₂Δf₂。

此外，参照图3和图4分别为现有技术中的基于延迟线的鉴频法的结构框图和基于中频延迟线鉴频法的结构框图。

图3中包括有待测合成信号源、功分器、延迟线、移相器、鉴相器、低通滤波器、低通放大器、模数转换器ADC、处理器等，在这种方法中，待测信号源输出的信号经过功分器后分为两路。一路信号通过延迟线，另外一路信号通过移相器。然后信号进入到鉴相器。延迟线作为鉴频器使用，移相器要保证鉴相器输入的信号满足正交条件。从而，鉴相器的输出与待测信号源的频率波动成正比。

传统的鉴频法的主要缺点是测量灵敏度受到延迟线的限制。延迟线越长测量灵敏度越高，但是延迟线越长导致信号的损耗越大，信号的损耗越大测量灵敏度越低。另外，延迟线的损耗会随着待测信号源的频率升高而变大。从而，当测试信号源频率高时(例如测试毫米波信号源)，灵敏度会大大降低。

图4中包括待测合成信号源、功分器、本机信号源、移相器、混频器、延迟线、低噪声放大器、鉴相器、低通滤波器、低噪声放大器、模数转换器ADC、处理器等，该方法首先把射频(微波)信号源下变频到中频，然后再采用延迟线方法。由于中频信号的频率一般采用几十MHz，传输线损耗相对于射频(微波)信号大大降低，从而可以使用更长的延迟线。这里要特别注意：本方法与鉴相法的区别，本方法的本振信号源不需要锁定待测信号源。

IFDLBD方法的缺点：系统比传统的鉴相法多了一个支路，其包括功分器及混频等，这些器件的引入进一步加大了系统的误差，且其复杂度及成本进一步加大。同时，延迟线加长后系统灵敏度提高，但是测试相位噪声的频偏变小。

针对此问题，本发明提出了改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试方法，即MIFDLBD方法，MIFDLBD方法首先频率较高的待测信号经过下变频后变换带中频，然后再对中频信号采用基于延迟线的鉴相法。使用本方法一方面得到了中频延迟线的优点，另外一方面系统的复杂度及成本降低。同时，引入的系统误差变小，提高了测量精度。同时，在中频延迟线采用两种不同长度的延迟线，分别进行测试并对测试结果进行合成。从而，在提高测量灵敏度的同时，增大了可测量频偏的范围。

发明人将本方法和IFDLBD方法做了对比测试，测试结果如图2所示，图2中横坐标为频率，纵坐标为功率谱密度，测试设置为：待测合成信号源为10GHz，其输出功率为18dBm，对于IFDLBD方法采用了9.93GHz的低相位噪声本机信号源，其输出功率为16dBm。对于本方法与设置IFDLBD方法相同。IFDLBD方法方法采用了180m长的同轴延迟线，τ₀≈827nS，而本方法采用了360m长的第一延迟线7及36m长的第二延迟线8，其时延值分别为τ₁≈1654nS及τ₂≈165.4nS。图2中虚线为IFDLBD方法所测得的结果曲线，实线为本方法所测得的结果曲线，因此，由图2可知由于本方法采用了一个鉴相器11进行测量且采用了两个延迟线支路，其引入的系统误差小且灵敏度得到提高，其测试相位噪声的频偏范围加大，可以测试到大约10MHz频偏处的相位噪声。

Claims (9)

1.改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置，其特征在于，包括混频滤波单元，所述混频滤波单元连接功分器(5)的输入端，所述功分器(5)的输出端通过移相器(10)和延迟线单元分别连接至同一鉴相器(11)的输入端，所述鉴相器(11)的输出端与滤波放大单元连接，所述滤波放大单元还通过模数转换器(14)连接至处理器(15)；

所述延迟线单元包括与所述功分器(5)输出端连接的第一射频开关(6)，所述第一射频开关(6)还通过并联的第一延迟线(7)和第二延迟线(8)与第二射频开关(9)连接，所述第二射频开关(9)还连接至所述鉴相器(11)的输入端；

所述混频率波单元用于将待测合成信号源(1)和本机信号源(2)进行混频，并将混频后的信号进行过滤，以得出所需的信号；所述第一射频开关(6)和第二射频开关(9)用于在所述第一延迟线(7)和第二延迟线(8)之间进行线路切换；所述处理器(15)用于根据采用不同延迟线时所测得的不同频偏，得出最终测量数据。

2.如权利要求1所述的改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置，其特征在于，所述混频滤波单元包括输入端分别连接有待测合成信号源(1)和本机信号源(2)的混频器(3)，所述混频器(3)的输出端连接至带通滤波器(4)的输入端，所述带通滤波器(4)的输出端与所述功分器(5)的输入端连接。

3.如权利要求1或2所述的改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置，其特征在于，所述滤波放大单元包括与所述鉴相器(11)输出端连接的低通滤波器(12)，所述低通滤波器(12)的输出端连接至低噪声放大器(13)的输入端，所述低噪声放大器(13)的输出端与所述模数转换器(14)连接。

4.如权利要求1或2所述的改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置，其特征在于，所述本机信号源(2)与所述待测合成信号源(1)的差频为10MHz-100MHz。

5.一种改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试方法，其特征在于，包括如权利要求1-4所述的改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置，并按照以下步骤实施：

步骤一、将待测合成信号源(1)与本机信号源(2)通过混频器(3)进行混频，并将混频后的信号送入带通滤波器(4)，调整所述带通滤波器(4)的中心频率，得出过滤后的信号s₂(t)，并将其送入功分器(5)，其中t表示时间；

步骤二、通过所述功分器(5)将信号s₂(t)分为两路输出：一路信号依次经过第一射频开关(6)、第一延迟线(7)、第二射频开关(9)得到信号s_3A(t)；

另一路信号经过移相器(10)得到信号s_3B(t)，将两路信号均依次送入鉴相器(11)、低通滤波器(12)、低噪声放大器(13)，得出处理后的信号s₄(t)；

步骤三、将步骤二中得出的信号s₄(t)的参数进行调整，并经过模数转换器(14)转换成数字信号得出在使用第一延迟线(7)时测出的瞬时频偏量化值ΔV₁，保存至处理器(15)中；

步骤四、将所述第一射频开关(6)和所述第二射频开关(9)均切换到第二延迟线(8)后，重复执行上述步骤二至步骤三，得出装置在使用第二延迟线时测出的瞬时频偏量化值ΔV₂；所述处理器(15)根据测量频偏的不同，得出最终测量出的相位噪声。

6.如权利要求5所述的改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试方法，其特征在于，所述步骤一中的信号s₂(t)通过公式得出，所述步骤二中的信号s_3A(t)通过公式得出，所述步骤二中的信号s_3B(t)通过公式得出，所述步骤二中的信号s₄(t)通过公式得出；

其中，V₀为信号的振幅，π为圆周率，f₀为信号的频率，f_m为信号的最大可测量的相位噪声的频偏，τ₁为第一延迟线的时延，Δf为测试频偏，φ为相移器的相移值，K_φ为鉴相器的鉴相常数。

7.如权利要求6所述的改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试方法，其特征在于，步骤三中参数调整具体方法为：

调整各个参数使其同时满足-2πf₀τ₁+φ＝π/2、和时，得出其经所述模数转换器(14)转换后的瞬时频偏量化值为ΔV₁≈K_φ12πτ₁Δf₁，其中，K_φ1为使用第一延迟线(7)时的所述鉴相器(11)的鉴相常数，Δf₁为使用第一延迟线(7)时的测试频偏。

8.如权利要求7中所述的改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试方法，其特征在于，所述步骤四中得出最后测量数据的具体方法为：

当测试频偏Δf＜1/τ₁时，所测量的瞬时频偏量化值为ΔV₁≈K_φ12πτ₁Δf₁，当测试频偏Δf≥1/τ₁时，所测量的瞬时频偏量化值为ΔV₂≈K_φ22πτ₂Δf₂；

其中K_φ2为使用第二延迟线(8)时的所述鉴相器(11)的鉴相常数，τ₂为第二延迟线(8)时延，Δf₂为使用第二延迟线(8)是的测试频偏。

9.如权利要求6-8中任意一项所述的改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试方法，其特征在于，所述本机信号源(2)与所述待测合成信号源(1)的差频为10MHz-100MHz。