CN106877949A - 提取本振的相位噪声的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提取本振的相位噪声的方法，根据发射机的输入信号及发射机的本振信号得到发射机的输出信号；根据发射机的输出信号作为与所述发射机输出端连接的采集仪表的输入信号；根据所述采集仪表的输入信号设置采集仪表的本振频率，以使采集仪表直接采集发射机的时域本振波形；根据所述采集仪表的输出信号提取发射机的本振的相位噪声。由于使用采集仪表采集的是发射机输出的时域本振波形，整个过程均在时域完成，因此，可实时反映本振真实的相位噪声情况，适用于非稳态及存在突发扰动下的情况，提高了提取相位噪声的精准度。

Description

提取本振的相位噪声的方法

技术领域

本发明涉及噪声检测技术领域，特别涉及一种提取本振的相位噪声的方法。

背景技术

相位噪声是现代电子系统中的关键性技术问题之一，它是衡量信号频率稳定度的重要指标。在通信系统中，随着通信带宽的不断提高和信道越来越密集，对通信系统中关键信号的相位噪声要求越来越高；在雷达技术中，系统关键信号的相位噪声直接影响着雷达系统对目标探测的分辨能力。在仪器技术中，相位噪声指标是衡量许多仪器性能的重要指标，降低相位噪声是提高仪器设备性能的重要内容，低相位噪声源是诸多仪器中的核心技术之一。因此相位噪声测量越来越成为电子测量领域中的关键问题，受到越来越多地关注。

针对不同应用领域和不同的测量要求，相位噪声测量主要有以下几种方法：

1.频谱仪测量法：直接频谱仪法是简单易行的一种相位噪声测量方法，它将待测频率源的输出信号直接输入到频谱仪的输入端，调谐频谱分析仪的载波频率，通过测量被测信号的频谱而得到被测信号的相位噪声。频谱仪测量法在应用中受到以下因素的制约：测量结果受频谱仪本振源相位噪声的制约、不能区分相位噪声和幅度噪声、不易测量近载波处的相位噪声。

2.鉴相法也称为双源测量方法或锁相环测量方法，这种方法将被测信号与一个同频率且正交的高稳定度的参考源信号作为鉴相器的两个输入信号，鉴相器输出为与被测信号的相位起伏成比例的低频噪声电压，经过低通滤波器和低噪声放大器，加到频谱仪上测出不同f_m处的噪声电平，计算得出被测信号源的或将经过低通滤波和低噪声放大后的鉴相器输出信号采样后变换到数字域，利用数字信号处理的方法求得被测信号的单边带功率谱。鉴相法的主要优点是测量灵敏度高、频率分辨率高、输出频率范围宽、对幅度噪声具有较好的抑制能力；该方法的局限性在于测量结果受到参考源与被测源频率差和参考源的相位噪声的影响。

具有混频结构的通信系统仿真模型通常由多个子模型构成，其中本振模型是最关键的部分之一。本振模型的作用是提供稳定幅度和频率(或相位)的单频率的本振信号，其幅度噪声和相位噪声的特性对发射和接收性能有举足轻重的影响。特别在窄带通信领域中，本振模型的相位噪声是影响收发性能最重要的因素之一，因此掌握实际芯片的本振对发射和接收性能的贡献，是必须明确的。而最简易的研究方法就是建立和实际特性一致的本振模型，并通过仿真链路得出指标影响程度的结论。

具体如图1～3所示：

图1是理想的本振模型在频域和时域上的结果图，在时域上是恒定幅度恒定频率的正弦波，在频域上对应f₀频率上的单谱线。

图2是基于现有参数设置能表示的本振仿真模型在频域和时域上的结果图，从时域上幅度满足某种分布条件，而频率和相位特性可以通过频率上用折线定义的相位噪声曲线定义，当定义的折线足够多时能满足仿真的需求，此时在幅度和相位上没有突变现象。

图3是实际的本振模型在频域和时域上的结果图，在频域上除了具有基底的分布相位噪声和幅度噪声分布特性外，在时域上接收发射开始时会受到PLL残余稳定时间的影响，引起相位和幅度的变化，此外在各种非周期干扰下会有幅度和相位的突变。

综上内容可知，频谱仪测量法和鉴相法适用于稳态和稳定情况下的本振特性(如图2所示情况)，但是不适用于非稳态及存在突发扰动下的情况(如图3所示情况)。原因在于：(1)频谱仪测试相位噪声采用扫频方式，在扫描频率RBW带宽外的突发扰动会被遗漏；(2)采用鉴相法等非扫频的相位噪声测量法，对仪表要求高，测量繁复；(3)任何相位噪声测量法都需要长时间的测试才能保证测量的频率和噪声精度，时间根据测量频宽和精度要求通常在秒级别，所以这种测量法描述的是稳定和长时间平均情况下的本振特性。因此不能很好的反映实际信号瞬时的信号质量、辐射和误码特性。另一方面，通常的本振仿真模型在幅度上描述为服从某种分布(如正态分布)的统计模型，在实际出现突发幅度变化的情况下是无法准确表示的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提取本振的相位噪声的方法，以解决采用现有方法无法准确获取非稳态及存在突发扰动下本振模型的相位噪声的特性的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种提取本振的相位噪声的方法，所述提取本振的相位噪声的方法包括：

根据发射机的输入信号及发射机的本振信号得到所述发射机的输出信号；

将所述发射机的输出信号作为与所述发射机输出端连接的采集仪表的输入信号；

根据所述采集仪表的输入信号设置所述采集仪表的本振频率，以使所述采集仪表直接采集所述发射机的时域本振波形；

根据所述采集仪表的输出信号提取所述发射机的本振的相位噪声。

可选的，在所述的提取本振的相位噪声的方法中，所述发射机的输入信号为：

其中，f_a为所述发射机的输入信号的频率。

可选的，在所述的提取本振的相位噪声的方法中，所述发射机的本振信号，公式表示如下：

其中，f_c为所述发射机的本振信号的本振频率，A(t)为本振的幅度噪声，为本振的相位噪声。

可选的，在所述的提取本振的相位噪声的方法中，所述发射机的输出信号通过所述发射机的输入信号与所述发射机的本振信号进行混频后获得，采用公式如下：

其中，f_c+f_a为所述发射机的输出信号的中心频率，A(t)为本振的幅度噪声，为本振的相位噪声。

可选的，在所述的提取本振的相位噪声的方法中，所述采集仪表的输入信号为：

其中，A_m为所述发射机的输出信号和所述采集仪表的输入信号之间的幅度噪声的增益，θ₀为所述发射机的输出信号和所述采集仪表的输入信号之间的相位偏移。

可选的，在所述的提取本振的相位噪声的方法中，根据所述采集仪表的输入信号设置所述采集仪表的本振频率为f_c+f_a。

可选的，在所述的提取本振的相位噪声的方法中，所述采集仪表的输出信号通过所述采集仪表的输入信号与所述采集仪表的本振信号进行混频后获得，采用公式如下：

其中，r(t)为所述采集仪表的输出信号，h_{SA_LO}(t)为所述采集仪表的本振信号，z(t)为所述采集仪表的输入信号，

可选的，在所述的提取本振的相位噪声的方法中，还包括根据所述采集仪表的输出信号提取所述发射机的本振的幅度噪声。

在本发明所提供的提取本振的相位噪声的方法中，根据发射机的输入信号及发射机的本振信号得到发射机的输出信号；将发射机的输出信号作为与所述发射机输出端连接的采集仪表的输入信号；根据所述采集仪表的输入信号设置采集仪表的本振频率，以使采集仪表直接采集发射机的时域本振波形；根据所述采集仪表的输出信号提取发射机的本振的相位噪声。由于使用采集仪表采集的是发射机输出的时域本振波形，整个过程均在时域完成，因此，可实时反映本振真实的相位噪声情况，适用于非稳态及存在突发扰动下的情况，提高了提取相位噪声的精准度。

附图说明

图1是理想的本振模型在频域和时域上的结果图；

图2是基于现有参数设置能表示的本振仿真模型在频域和时域上的结果图；

图3是实际的本振模型在频域和时域上的结果图；

图4是提取本振的相位噪声的方法的流程图；

图5是提取本振的相位噪声设计的原理框图；

图6是仿真的发射机链路结构图；

图7是仿真的接收机链路结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的提取本振的相位噪声的方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图4，其为提取本振的相位噪声的方法的流程图，如图4所示，所述的提取本振的相位噪声的方法包括如下步骤：

首先，执行步骤S1，根据发射机的输入信号及发射机的本振信号得到所述发射机的输出信号。这里的发射机的本振信号指代的是非理想情况下发射机实际的本振信号。

具体的，为了较好的理解获得发射机的输出信号的过程，请一并参考图5所示的内容进行理解，这里发射机发送的信号为基带单音频率为f_a的无调制信号(也就是所述发射机的输入信号)，具体如公式(1)所示：

所述发射机的本振信号，具体如公式(2)所示：

公式(2)是非理想情况下本振模型，理想情况下发射机的本振信号在时域上是一个时域序列，显示为本振频率为f_c的单频率载波，由于实际情况下存在幅度和相位的变化的特性，因此这里假设了A(t)为本振的幅度噪声，假设为本振的相位噪声，以构成模拟实际本振信号的情况。

请继续参考图5，在只讨论本振模型的影响，假设混频器模型理想的情况下，所述发射机的输出信号通过所述发射机的输入信号与所述发射机的本振信号进行混频后获得，基于利用公式(1)和(2)计算的结果计算发射机此时的输出信号可以参考公式(3)：

由公式(3)可知，y(t)为所述发射机的输出信号的中心频率为f_c+f_a的带幅度噪声A(t)和相位噪声的单频率载波信号。

接着，执行步骤S2，根据所述发射机的输出信号作为与所述发射机输出端连接的采集仪表的输入信号。

采集测量时，采集仪表直接连接发射机输出段后，因为只讨论本振模型的影响，此处认为y(t)和z(t)间只存在固定的增益A_m和固定相位的偏移θ₀，A_m和θ₀这两个参数是恒定的，表现为空间传播特性，对最终本振的相位噪声的提取不造成影响。

因此采集仪表的输入信号如公式(4)所示：

接着，执行步骤S3，根据所述采集仪表的输入信号设置所述采集仪表的本振频率，以使所述采集仪表直接采集所述发射机的时域本振波形。

根据步骤S3获得的采集仪表的输入信号(如公式(4)所示)设置采集发射机发送的信号时采集仪表的本振频率，以直接测量得到发射机的本振的特性。由公式(4)可知，采集仪表本振频率设置为f_c+f_a。

接着，执行步骤S4，根据所述采集仪表的输出信号提取所述发射机的本振的相位噪声。

采集仪表的本振信号和输出信号可表示为公式(5)和公式(6)：

其中，r(t)为所述采集仪表的输出信号，h_{SA_LO}(t)为所述采集仪表的本振信号，z(t)为所述采集仪表的输入信号，如公式4所示。

比较公式(6)和公式(2)可知，公式(2)中假设的本振的幅度噪声A(t)和本振的相位噪声一直留存于公式(6)，因此，根据所述采集仪表的输出信号r(t)是可以提取所述发射机的本振的相位噪声和本振的幅度噪声的。

基于本发明获得的采集仪表的输出信号r(t)可以广泛适用于各种通信电路的仿真中，对于由本振幅度和相位噪声引起的指标恶化现象，可使用该方法通过仿真来有效评估。

较佳的，在进行发射仿真链路中，基于已获得采集仪表的输出信号r(t)仅需要做fc频率搬移后应用于发射仿真链路中即可得到在真实幅度和相位误差下的发射机特性。仿真模型如图6所示，其中的发射机本振H_{simuTX_LO}(t)表示为：

可见，根据公式(7)，仿真链路的本振模型就可从r(t)直接得到，并能反映出真实硬件上瞬态的幅度及相位噪声特性h_LO(t)。因此仿真结果能体现实际本振的幅度和相位噪声特性对发射机指标的影响。

同时A(t)经傅立叶变换可得到A(ω)，经傅立叶变换可得到Φ_pn(ω)，就是基带系统上的幅度和相位噪声的频谱，从基带角度看时域上的本振噪声A(t)·e^jφ(t)的傅立叶变换就是整个发射机本振的噪声频谱特性H_LO(ω)＝A(ω)*Φ_pn(ω)(*代表卷积运算)。根据公式6而其时域冲击响应就是A₀是常数，对于仿真结果将没有影响。

同时，如果通信电路中接收和发射共用本振，那么接收本振和发送本振具有相似的相位噪声特性，可以从r(t)中限幅提取相位噪声的时域特性用于接收机的仿真链路。在这种情况下不用接收链路直接提取相位噪声参数的原因是，接收机输出信噪比受到热噪声、接收通道滤波、通道幅度和相位平坦度及A/D效应等的限制，难以达到本振相噪的测量要求。限幅上由于|h_φ(t)|＝1，因此只需要将r(t)幅度归一到简单运算即可。

如此将h_φ(t)做f_c频率搬移后运用于接收仿真链路即可得到在实际相位误差下的接收机特性。仿真模型如图7所示，其中的接收机本振H_{simuRX_LO}(t)表示为：

当然，本发明包括但不局限于上述仿真中，也可以广泛适用于各种通信电路的仿真中，对于由本振幅度和相位噪声引起的指标恶化现象，可使用该方法通过仿真来有效评估。

本发明避免了现有技术采用参数定义分段相位噪声方法和统计参数定义的幅度噪声方法所不能表示的瞬态特性，避免频谱仪相位噪声测试法带来的遗漏，和测量中对干扰与噪声平均过程引起误差的情况。因此，本发明中建立的本振模型能真实反映本振的特征，使发射和接收链路仿真更贴近现实情况。

综上，在本发明所提供的提取本振的相位噪声的方法中，根据发射机的输入信号及发射机的本振信号得到发射机的输出信号；将发射机的输出信号作为与所述发射机输出端连接的采集仪表的输入信号；根据所述采集仪表的输入信号设置采集仪表的本振频率，以使采集仪表直接采集发射机的时域本振波形；根据所述采集仪表的输出信号提取发射机的本振的相位噪声。由于使用采集仪表采集的是发射机输出的时域本振波形，整个过程均在时域完成，因此，可实时反映本振真实的相位噪声情况，适用于非稳态及存在突发扰动下的情况，提高了提取相位噪声的精准度。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种提取本振的相位噪声的方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据发射机的输入信号及发射机的本振信号得到所述发射机的输出信号；

将所述发射机的输出信号作为与所述发射机输出端连接的采集仪表的输入信号；

根据所述采集仪表的输入信号设置所述采集仪表的本振频率，以使所述采集仪表直接采集所述发射机的时域本振波形；

根据所述采集仪表的输出信号提取所述发射机的本振的相位噪声。

2.如权利要求1所述的提取本振的相位噪声的方法，其特征在于，所述发射机的输入信号为：

$x\left(t\right)=\[cos\left(2{\mathrm{\πf}}_{a}t\right)+j\·sin\left(2{\mathrm{\πf}}_{a}t\right)\]=e^{j2{\mathrm{\πf}}_{a}t},$

其中，f_a为所述发射机的输入信号的频率。

3.如权利要求2所述的提取本振的相位噪声的方法，其特征在于，所述发射机的本振信号，公式表示如下：

其中，f_c为所述发射机的本振信号的本振频率，A(t)为本振的幅度噪声，为本振的相位噪声。

4.如权利要求3所述的提取本振的相位噪声的方法，其特征在于，所述发射机的输出信号通过所述发射机的输入信号与所述发射机的本振信号进行混频后获得，采用公式如下：

其中，f_c+f_a为所述发射机的输出信号的中心频率，A(t)为本振的幅度噪声，为本振的相位噪声。

5.如权利要求4所述的提取本振的相位噪声的方法，其特征在于，所述采集仪表的输入信号为：

其中，A_m为所述发射机的输出信号和所述采集仪表的输入信号之间的幅度噪声的增益，θ₀为所述发射机的输出信号和所述采集仪表的输入信号之间的相位偏移。

6.如权利要求5所述的提取本振的相位噪声的方法，其特征在于，根据所述采集仪表的输入信号设置所述采集仪表的本振频率为f_c+f_a。

7.如权利要求6所述的提取本振的相位噪声的方法，其特征在于，所述采集仪表的输出信号通过所述采集仪表的输入信号与所述采集仪表的本振信号进行混频后获得，采用公式如下：

其中，r(t)为所述采集仪表的输出信号，h_{SA_LO}(t)为所述采集仪表的本振信号， $h_{SA\_LO}\left(t\right)=e^{-j\left(2\mathrm{\π}\right(f_c+f_a)t)},$ z(t)为所述采集仪表的输入信号， $A_0=A_m\·e^{{\mathrm{j\θ}}_0}.$

8.如权利要求1所述的提取本振的相位噪声的方法，其特征在于，还包括根据所述采集仪表的输出信号提取所述发射机的本振的幅度噪声。