CN108964797A - 一种基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量系统及方法，该系统包括激光器、电光调制器、功率分配器、长光纤延迟线、电控可调光纤延迟线、光电探测器、双平衡混频器等器件。待测源信号通过功率分配器等分为两路，一路直接进入混频器的本振端，另一路通过电光调制器调制为光信号，再经长光纤延迟线、电控可调光纤延迟线后通过光电探测器进入混频器的射频端。电控可调光纤延迟线受计算机控制，可自动调节两路信号保持正交状态，混频后的信号依次经过放大、滤波、模数转换后再输入计算机计算相位噪声。相比于其他相位噪声测量方法，本发明避免了引入移相器造成的功率损耗随相位变化而变化以及实现了相位噪声快速、自动化测量。

Description

一种基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量系统及 方法

技术领域

本发明属于微波测量领域，涉及微波信号源相位噪声的测量，尤其涉及一种基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量系统及方法，本发明避免了引入移相器所造成的功率损耗以及减少了测量所需要的时间。

背景技术

相位噪声是信号源在各种噪声作用下引起输出信号的相位的随机变化，是衡量频率稳定度的重要指标，随着技术的发展，在通信、雷达等各种领域对信号源相位噪声的要求越来越高，也就意味着对相位噪声测量装置的测量灵敏度有更大的要求，传统的测量方法已经不能满足现代高性能的微波信号源。因此相位噪声的测量也成为了现代电子系统中的关键性问题之一。

针对不同性能的信号源以及不同的测量需求，主要有以下几种相位噪声的测量方法：

1.直接频谱仪测量：直接用频谱仪测量虽然简单快速，但该方法无法区分相位噪声和幅度噪声，近载频处的噪声测量准确度不高，测量灵敏度低，应用范围很窄。2.鉴相器法：鉴相器法如图1所示，是应用比较广泛的一种相位噪声测量方法，这种方法需要一个参考信号源，利用混频器作为鉴相器，将待测源与参考源之间的相位差转换为电压幅度，之后将电压信号低通滤波、放大后送入基带分析仪。然而该方法中的参考源相位噪声性能必须要优于待测源，因此在对高性能信号源进行相位噪声测量时，很难找到更低相位噪声的参考源，适用范围有所限制。3.鉴频器法，鉴频器法如图2所示，其原理与鉴相器法类似，但是不需要参考源，而是将待测源的信号一分为二，一路经过延迟线，一路经过移相器，通过移相器移相使两路信号保持正交，正交的两路信号进入混频器混频，混频后对信号进行适当处理送入基带分析仪。其中延迟线和混频器构成了鉴频器，将待测源信号的频率抖动转换为了电压抖动。但本方法依然存在一些缺点，本发明是对鉴频器法的改进。

4.互相关法：由于相位噪声测量系统本身产生的噪声具有随机性且与待测源的相位噪声不相关，利用相关检测就可以降低系统本身的噪声，具体来说就是利用两路相同的相位噪声测量系统，将处理后的信号进行互相关运算，增强两路信号相似的部分，而把不相似的部分即系统产生的随机噪声抑制掉，进一步提高测量灵敏度。

发明内容

本发明的目的是针对现有相位噪声测量技术存在的不足，提出一种基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量系统及方法，本方案尤其适合X波段微波信号源相位噪声的测量，与目前应用较多的基于光延迟鉴频法的相位噪声测量方案相比，本方案将移相器替换为了可调光纤延迟线，避免了使用移相器的过程中，调节相位造成的插入损耗变化，并且待测信号通过功率分配器后直接与混频器的本振端相连，使本振功率保持稳定，输入输出具有良好的线性度。本发明还将相位噪声测量中必须确定的鉴相系数与相位噪声测量的原始数据进行自动测量，避免了传统的人工定标、校准过程，缩短了测量所需要的测量时间。

本发明的技术方案为：

一种基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量系统，包括激光器、电光调制器、功率分配器、长光纤延迟线、电控可调光纤延迟线、光隔离器、光电探测器、双平衡混频器、低噪声放大器、低通滤波器、数据采集卡、和计算机；功率分配器将待测源的信号一分为二，其中一路直接与混频器的本振端相连，另外一路与电光调制器相连，对激光器输入的光信号进行强度调制，经过调制的光信号依次经过长光纤延迟线及电控可调光纤延迟线后，再经光隔离器进入光电探测器(在光电探测器前加一光电隔离器可避免光纤连接端面的反射光对入射光的影响)，光电探测器将光信号转换为电信号进入混频器的射频端；混频后的信号通过低噪声放大器放大，再通过低通滤波器滤去不需要的频段，最后由数据采集卡将模拟信号转变为数字信号，输入计算机计算相噪功率谱；电控可调光纤延迟线受计算机控制，通过动态调节可使混频器的两路输入信号保持正交。

上述技术方案中，所述的计算机将由数据采集卡采集到的信号作为反馈信号，通过串口通信调节电控可调光纤延迟线。

所述的电控可调光纤延迟线的长度远小于长光纤延迟线。

一种基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量方法，该方法是基于上述的系统实现的，具体包括如下步骤：

1)将待测源的信号输入功率分配器；

2)通过计算机调节电控可调光纤延迟线，使其变化一个周期，记录变化过程中系统输出信号的最大值和最小值，计算出鉴相系数；

3)通过输出信号的反馈，调节电控可调光纤延迟线，使到达混频器的两路信号保持正交，采集输出信号，计算相位噪声功率谱密度。

步骤2)中计算鉴相系数采用如下方法：取电控可调光纤延迟线变化一个周期的过程中，系统输出信号的最大值和最小值二者绝对值的平均值，即为鉴相系数。

调节混频器两路输入信号的正交状态由计算机根据输出信号调节电控可调光纤得到，当两路信号正交时，混频差频输出信号基本为零，若不为零，根据其正负，计算机调节可调光纤的长短，直到输出信号为零，两路信号也就调节为了正交状态。在调节过程中产生的极大极小值将作为确定鉴相系数的重要数据。本发明方法避免了引入移相器造成的功率损耗随相位变化而变化，以及实现了相位噪声快速、自动化测量。

附图说明

图1是传统鉴相器法相位噪声测试原理图。

图2是传统鉴频器法相位噪声测试原理图。

图3是本发明微波信号源相位噪声自动化测试原理图。

图4是本发明系统的传输响应函数曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图3所示，本方法是基于鉴频器法原理的改进方案，待测微波信号源发出的微波信号经功率分配器等分为两路，一路经马赫‐曾德尔调制器调制为光信号，完成了由电信号到光信号的转换，输出的光信号送入一段长光纤延迟线，由于光纤的衰减系数很小，市面上的单模光纤的衰减系数一般为0.2dB/km，即使光纤延迟线长达几公里，其造成的功率损耗也在可接受范围之内，并且因为光路的信号功率是由激光器提供所以不需要考虑经过延迟线后原信号的衰减问题，避免了传统鉴频器法电缆延迟线所造成的功率大幅度衰减问题。光纤延迟线实现了频率波动到相位波动的转换电控可调光纤延迟线的作用是调节两路信号的相位差，以保证进入混频器的两路信号为正交状态，并且电控可调光纤延迟线可调部分引入的时间延迟相对于固定的光纤延迟线而言可以忽略不计。由于移相器在不同相位状态下有着不同的插入损耗，这就造成了混频器的本振端功率在移相过程中一直在变化，使混频器输入输出不能保证良好的线性关系，对相位噪声的测量有一定干扰，将移相器用可调延迟线代替就能有效地避免这个问题。在光电探测器前增加光隔离器的作用是减少光纤连接端面的反射光对入射光的影响，之后光电探测器将光信号转换为电信号进入双平衡混频器的RF端。双平衡混频器起一个鉴相器的作用，当两路信号正交时，就可以使相位波动转换为电压幅度波动

第二路信号直接与混频器的本振端相连，由于混频器的正常工作要求本振端的功率稳定于某一数值，如果使用移相器调节两路信号的正交状态，在移相过程中移相器的插入损耗会发生变化，导致混频器本振端的功率发生变化，对混频器的混频效率有一定影响。使用可调延迟线代替移相器后，混频器的本振端功率就可以稳定不变。

进入混频器的两路信号可以表示为：

其中A₁A₂为两路信号的电压幅度，f₀为载波频率，为信号的相位噪声，τ_d为光纤延迟线的总延迟时间(即长光纤延迟线的延迟时间与电控可调光纤延迟线的尾纤部分的延迟时间)，混频器将两路信号相乘，由三角函数积化和差公式可知两路信号混频后产生和频项和差频项，其中和频项通过低通滤波后被滤掉，只剩差频项

其中，为鉴相系数，K为混频器的混频效率。

当调节可调谐光纤时使τ_d细微变化，使两路信号的相位正交时，即时，上式变为了

这样就完成了相位波动到电压幅度的转换，然而此时的相位波动是两路信号的相位波动差，并不是原被测信号的相位波动，对上式作傅里叶变换得到

对于相位噪声的测量目标，关心的是功率谱之间的关系，对上式进行平方后可以得到

其中|H(f_m)|²＝4sin²πf_mτ_d为系统的传输响应函数，f_m是相对于中心频率的偏移频率，为相位变化的功率谱密度。这样，输出信号的功率谱密度与被测源的相位信号功率谱密度之间的关系就由和|H(f_m)|值确定。|H(f_m)|²与频偏f_m的关系如图4所示。

由图4可以看出鉴频法系统传输响应的一些特点，首先对于低频偏处系统灵敏度较低，对测量结果的准确度有一定影响。其次随着偏移频率的增大，系统灵敏度会出现“凹点”，这是由于传输响应的数学表达式造成的，第一个“凹点”的位置与延迟线的长度成反比。在相对低频偏处，长光纤的灵敏度较高，而相对高频偏处，短光纤的灵敏度较高。

由于传递函数“凹点”的限制，可测量的频偏范围与延迟线的长度有着紧密的联系，为了避免“凹点”处传输灵敏度对测量的影响，一般使测量频偏要测量相位噪声，必须确定鉴相系数由于

，因为变化幅度非常小，上式式可看作直流信号。调节可调光纤延迟线，使2πf₀τ_d＝nπ，n为整数，上式式就变为了

这样，鉴相系数的值就可以确定

再引入单边带相位噪声功率谱密度L(f_m)，其定义为

L(f_m)单位为dBC/Hz。

L(f_m)与的关系为

这样，单边带相位噪声功率谱密度就可以求出。

本发明中V₀除了作为实验数据计算相位噪声以外，同样作为反馈信号传输给计算机，计算机根据此反馈信号，通过串口通信控制可调延迟线。由于变化幅度非常小，当进入混频器的两路信号为正交状态时，V₀的值可以看做是零，相对的，只要两路信号没有达到正交状态，V₀的值就不为零，计算机通过设定某一阈值，该阈值范围应略大于系统输出噪声的幅值范围，不超过此阈值范围判断V₀值为零，大于此阈值范围判断V₀值为正，小于此阈值范围判断V₀值为负，通过判断V₀值的正负来对可调延迟线进行调节，直到V₀的值为零，即两路信号达到正交状态。

Claims (5)

1.一种基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量系统，其特征在于，包括激光器、电光调制器、功率分配器、长光纤延迟线、电控可调光纤延迟线、光隔离器、光电探测器、双平衡混频器、低噪声放大器、低通滤波器、数据采集卡、和计算机；功率分配器将待测源的信号一分为二，其中一路直接与混频器的本振端相连，另外一路与电光调制器相连，对激光器输入的光信号进行强度调制，经过调制的光信号依次经过长光纤延迟线及电控可调光纤延迟线后，再经光隔离器进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号进入混频器的射频端；混频后的信号通过低噪声放大器放大，再通过低通滤波器滤去不需要的频段，最后由数据采集卡将模拟信号转变为数字信号，输入计算机计算相噪功率谱；电控可调光纤延迟线受计算机控制，通过动态调节可使混频器的两路输入信号保持正交。

2.如权利要求1所述的基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量系统，其特征在于，所述的计算机将由数据采集卡采集到的信号作为反馈信号，通过串口通信调节电控可调光纤延迟线。

3.如权利要求1所述的基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量系统，其特征在于，所述的电控可调光纤延迟线的长度远小于长光纤延迟线。

4.一种基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量方法，其特征在于，该方法基于如权利要求1所述的系统实现，具体包括如下步骤：

1)将待测源的信号输入功率分配器；

2)通过计算机调节电控可调光纤延迟线，使其变化一个周期，记录变化过程中系统输出信号的最大值和最小值，计算出鉴相系数；

3)通过输出信号的反馈，调节电控可调光纤延迟线，使到达混频器的两路信号保持正交，采集输出信号，计算相位噪声功率谱密度。

5.根据权利要求4所述的基于鉴频法的微波信号源相位噪声自动化测量方法，其特征在于，步骤2)中计算鉴相系数采用如下方法：取电控可调光纤延迟线变化一个周期的过程中，系统输出信号的最大值和最小值二者绝对值的平均值，即为鉴相系数。