CN110034730A - 超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，旨在提供一种附加相位噪声低，相位噪声测量准确度高的毫米波信号下变频的方法，本发明通过下述技术方案予以实现：利用宽带强度调制器调制DBF光源，经过光放大器放大和光滤波器滤波后分成光两路光信号，其中一路通过短光纤送入第一光电探测器转换为电信号；另一路经过长光纤、光放大器、光滤波器和光衰减器送入第二光电探测器转换为电信号，两路电信号经毫米波合路器合成一路，再经毫米波放大器、滤波器后，由毫米波功分器分成两路毫米波信号，其中一路输入至上述宽带光电调制器的电输入接口形成光电环路；另一路输入至毫米波混频器的本振输入口，与需要下变频的毫米波信号进行混频，得到中频信号。

Description

超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法

技术领域

本发明涉及一种可应用于时间频率计量领域中的毫米波超低相位噪声频率源校准及其毫米波信号下变频方法。更具体地说，本发明涉及一种频率范围从20GHz到40GHz、附加相位噪声低至-135dBc/Hz的毫米波信号下变频方法。

背景技术

毫米波是波长介于(1-10)mm的电磁波谱，对应频率范围(300-30)GHz。毫米波位于微波频段的高端，其上限与亚毫米波毗邻而靠近光波。从频率来看，毫米波低端与微波衔接，高端与红外、光波相连，所以毫米波逐渐发展成为一门集微波、光学两门学科知识的综合性分支学科。毫米波由于其典型特点(波长短、频带宽及其大气传输特性)，同微波和光波相比起来具有一系列独特的优点，这使其在制导、雷达、遥感和通信等方面得到了广泛应用。这些系统由于其应用条件的特殊性，通常对系统的性能指标具有很高的要求。

在毫米波系统中，毫米波信号源是一个重要组成部分，它的技术指标在很大程度上决定了系统的性能，甚至可以说，这些毫米波系统的发展和成功应用在很大程度上都可以归结于毫米波源的可实现性。通常，信号源的频率稳定度对毫米波系统的稳定性有着较大的影响，信号源的相位噪声特性对毫米波接收机的灵敏度、通信系统的误码率、雷达系统的分辨率等性能具有较大的决定作用。为了要充分实现毫米波由于上述特点带来的优点，就要求信号源具有高稳定度、低相位噪声等特性。目前，工作于毫米波频段的信号源多采用耿氏振荡器。虽然耿氏振荡器的相位噪声、长期频率稳定度都较好，但在某些情况下，仍然满足不了上述毫米波系统的需要。在雷达、通讯等应用颁域，微波、毫米波信号相位噪声的测量受参考源的相位噪声和频率范围的限制等原因是一个难题。采用下变频技术将毫米波源转换到低频段，用常用的低频信号源作参考源，是实现毫米波相位噪声测量的最佳途径。但使用下变频器时，下变频器的相位噪声加到信号通道中，可能影响测量灵敏度。

各个频率段各种带宽的毫米波信号源都有所需求。将毫米波源系列化，可以最大限度地满足各方面的需求。做成模块化，有利于随时对系统进行扩展，提高系统的性能。朝着低噪声的方向发展。采用低相位噪声的毫米波源，可以提高接收机的灵敏度，提高雷达系统的分辨率和数字通信系统的稳定性能。位噪声是指信号源中，由各种随机噪声所引起的输出信号瞬时频率或相位的起伏，它表征的是信号源输出频率的短期稳定性指标，是高稳定度、高纯度频率源的一项十分重要的指标。由于相位噪声的存在，引起载波频谱的扩展，其范围可以从偏离载波小于1Hz一直延伸到几兆赫兹。理想情况下，信号源输出的信号是完纯的正弦波信号。相位噪声表现为噪声边带连续地分布在载波频率的上下两边。连续分布的随机信号称作相位噪声。相位起伏的特征描述通常叫做相位噪声。相位噪声是频率域的概念，是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。相位噪声指标对于当前的射频微波系统、移动通信系统、雷达系统等电子系统影响非常明显，将直接影响系统指标的优劣。信号变频损耗过大会导致信曝比恶化.相位噪声变差，因此相位噪声好坏对通讯系统有很大影响，尤其现代通讯系统中状态很多，频道又很密集，并且不断的变换，所以对相噪的要求也愈来愈高。如果本振信号的相噪较差，会增加通信中的误码率，影响载频跟踪精度。相噪不好不仅增加误码率和影响载频跟踪精度，还影响通信接收机信道内、外性能测量，相噪对邻近频道选择性的影响。要求接收机选择性越高，则相噪就必须更好，要求接收机灵敏度越高，相噪也必须更好。相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。实际信号的信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。抖动(Jitter)反映的是数字信号偏离其理想位置的时间偏差。抖动是时间上的偏差，随机抖动很大一部分来源于信号上的噪声。高频数字信号的bit周期都非常短，一般在几百ps甚至几十ps，很小的抖动都会造成信号采样位置电平的变化，所以高频数字信号对于抖动都有严格的要求。偏离中心频率很远处的信号叫做边带信号，边带信号可能被挤到相邻的频率中去，这个边带信号就叫做相位噪声(Phase Noise)。相位噪声定义有几种，通常是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机波动。也可以是指光的正弦振荡不稳定,时而出现某处相位的随机跳变。相位噪声是系统在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化。它是时间频率计量领域的重要参数，是衡量频率标准源(高稳晶振、原子频标等)频稳质量，评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标。随着频标源性能的不断改善，相应噪声量值越来越小，因而对相位噪声谱的测量要求也越来越高。由于相位噪声的存在,使频率源的频率不稳定。传统的零拍测量法已面临严重的挑战，特别是在如何减少测量系统本身的噪声对测量结果的影响，提高系统的测量灵敏度方面尤为困难。随着技术不断提高，对电路系统又提出了更高的要求，这就要求电路系统必须低相位噪声。在现代技术中，相位噪声已成为限制电路系统的主要因素。低相噪对提高电路系统性能起到重要作用。作为相位噪声测试系统的一部分，毫米波下变频装置的关键指标就是要附加相位噪声低。

目前对于高精度的相位噪声测量方法主要有相位检波法、互相关法和全数字法等。检相法是用双平衡混频器作为检相器检测频率源的相位起状.从频谱仪仅上读出经滤波和低噪声放大等处理后的噪声电压，经计算得到单边带相位噪声。利用检相法测得的噪声功率实际是参考源噪声功率与被测源噪声功率之和。检相法是进行毫米波相位噪声测量的基本方法。但由于低相位噪声的毫米波参考源不易获得，应采用下变频技术将毫米波源转换到低频段。由于应用相位检波法、互相关法和全数字法等方法对毫米波信号进行测试时，均须将被测毫米波信号下变频至中频再进行测试。现有的下变频方法主要有直接变频法和谐波混频变频法，这些方法受限于下变频器本振信号的相位噪声。在进行超低相位噪声毫米波信号源的相位噪声测试时，由于下变频器本振信号的相位噪声，不能远优于被测毫米波信号的相位噪声，使得下变频过程中，引入附加相位噪声过大，降低了毫米波信号源相位噪声测量的准确度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，旨在减小毫米波信号下变频过程中的附加相位噪声，提高超低相位噪声毫米波频率源的相位噪声测量准确度。

本发明的上述目的可以通过下述技术方案予以实现：一种超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，具有如下技术特征：利用宽带光电调制器调制窄线宽的DBF光源，经过宽带光电调制器、光放大器放大和光滤波器滤波后，通过分光器分成两路光信号，其中一路经过通过短光纤送入第一光电探测器转换为电信号；另一路经过长光纤、光放大器、光滤波器和光衰减器送入第二光电探测器换为电信号，两路电信号经毫米波合路器合成一路，再经毫米波放大器放大、滤波器滤波后，由毫米波功分器分成两路毫米波信号，其中一路输入至上述宽带光电调制器的电输入接口形成光电环路，产生稳定的本振信号；另一路输入至毫米波混频器的本振输入口，与需要下变频的毫米波信号进行混频，得到中频信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

附加相位噪声低。本发明利用宽带光电调制器调制窄线宽的DBF光源，经过光放大器放大和光滤波器滤波后，在宽带光电调制器的电输入接口形成光电环路，产生稳定的本振信号。在20GHz到40GHz频段内，下变频的附加相位噪声低，附加相位噪声可比原有方法低20dB以上。作为相位噪声测试系统的一部分，毫米波信号下变频装置的关键指标就是要附加相位噪声低。

相位噪声测量准确度高。本发明利用宽带光电调制器调制窄线宽的DBF光源，经过光放大器放大和光滤波器滤波后，在宽带光电调制器的电输入接口形成光电环路，产生稳定的本振信号，确保了信号的稳定。另一路输入至毫米波混频器的本振输入口，与需要下变频的毫米波信号进行混频，得到附加相位噪声极低的中频信号。由于中频信号的附加相位噪声极低，有效减小相位噪声测量的误差，提高了测量准确度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本方法进一步说明。

图1是本发明超低附加相位噪声的毫米波信号源下变频的电路原理示意图。

图2是本发明使用YIG滤波器调节频率的实施例示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，利用宽带光电调制器调制窄线宽的DBF光源，经过宽带光电调制器、光放大器放大和光滤波器滤波后，通过分光器分成两路光信号，其中一路经过通过短光纤送入第一光电探测器转换为电信号；另一路经过长光纤、光放大器、光滤波器和光衰减器送入第二光电探测器换为电信号，两路电信号经毫米波合路器合成一路，再经毫米波放大器放大、滤波器滤波后，由毫米波功分器分成两路毫米波信号，其中一路输入至上述宽带光电调制器的电输入接口形成光电环路，产生稳定的本振信号；另一路输入至毫米波混频器的本振输入口，与需要下变频的毫米波信号进行混频，得到中频信号。

在以下描述的一个最佳实施例中，使用短光纤和长光纤使两路光信号获得不同的时延；短光纤和长光纤的长度分别是2km和20km。

线宽小于5kHz的窄线宽的DBF光源经过宽带光电调制器、30dB增益的光放大器和光滤波器后，经过分光器分成O1和O2两路光信号，O1光信号经过通常为2km的短光纤后，由第一光电探测器转换为电信号E1；O2光信号经过通常为20km的长光纤、20dB增益的光放大器、光滤波器和光衰减器后，由第二光电探测器转换为电信号E2，E1和E2两路电信号经毫米波合路器合成一路，再经20dB增益的毫米波放大器放大输入10MHz带宽的固定滤波器后，送入40dB增益的毫米波放大器进行放大，由毫米波功分器分成E3和E4两路毫米波信号，其中毫米波信号E3通过宽带光电调制器的电输入接口形成信号稳定的光电环路；毫米波功分器的毫米波信号E4通过毫米波混频器的本振输入口，与需要下变频的毫米波信号输入E5进行混频，得到输出＜1GHz的中频信号。其中，DBF光源可以是15mW的DBF光源，宽带光电调制器可以是宽带为50GHz、插损30dB的宽带光电调制器。

参阅图2。通过更换图1所示20GHz～40GHz频带内不同通带的固定滤波器，可以调节毫米波信号E4信号的的频率，使其与需要下变频的毫米波信号E5信号的差频保持在1GHz以内。因此固定滤波器采用20GHz～40GHz频带内的不同通带。为了调节毫米波信号E4信号的频率，使其与需要下变频的毫米波信号输入E5信号的差频保持在1GHz以内，将连接20dB增益的毫米波放大器与40dB增益的毫米波放大器之间的固定滤波器更换为YIG滤波器代替，则可以使用电调的方式改变毫米波功分器E4毫米波信号信号的频率。将固定滤波器替换为12位数控电调YIG滤波器，可使毫米波功分器E4的毫米波信号的频率调节范围约为5MHz，从而可以更精细地控制中频信号的频率。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，具有如下技术特征：利用宽带光电调制器调制窄线宽的DBF光源，经过宽带光电调制器、光放大器放大和光滤波器滤波后，通过分光器分成两路光信号，其中一路经过通过短光纤送入第一光电探测器转换为电信号；另一路经过长光纤、光放大器、光滤波器和光衰减器送入第二光电探测器换为电信号，两路电信号经毫米波合路器合成一路，再经毫米波放大器放大、滤波器滤波后，由毫米波功分器分成两路毫米波信号，其中一路输入至上述宽带光电调制器的电输入接口形成光电环路，产生稳定的本振信号；另一路输入至毫米波混频器的本振输入口，与需要下变频的毫米波信号进行混频，得到中频信号。

2.如权利要求1所述的超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，其特征在于：线宽小于5kHz的窄线宽的DBF光源经过宽带光电调制器、30dB增益的光放大器和光滤波器后，经过分光器分成O1和O2两路光信号，O1光信号经过短光纤后，由第一光电探测器转换为电信号E1；O2光信号经过长光纤、20dB增益的光放大器、光滤波器和光衰减器后，由第二光电探测器转换为电信号E2。

3.如权利要求2所述的超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，其特征在于：E1和E2两路电信号经毫米波合路器合成一路，再经20dB增益的毫米波放大器放大输入10MHz带宽的固定滤波器后，送入40dB增益的毫米波放大器进行放大，由毫米波功分器分成E3和E4两路毫米波信号，其中毫米波信号E3通过宽带光电调制器的电输入接口形成信号稳定的光电环路；毫米波信号E4通过毫米波混频器的本振输入口，与需要下变频的毫米波信号输入E5进行混频，得到输出＜1GHz的中频信号。

4.如权利要求3所述的超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，其特征在于：DBF光源是15mW的DBF光源。

5.如权利要求3所述的超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，其特征在于：宽带光电调制器是宽带为50GHz，插损30dB的宽带光电调制器。

6.如权利要求1所述的超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，其特征在于：固定滤波器采用20GHz～40GHz频带内的不同通带。

7.如权利要求1所述的超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，其特征在于：使用YIG滤波器代替固定滤波器，用电调的方式改变毫米波信号E4信号的频率。

8.如权利要求1所述的超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，其特征在于：将固定滤波器替换为12位数控电调YIG滤波器，使毫米波信号E4信号的频率调节范围为至少5MHz，更精细地控制中频信号的频率。

9.如权利要求1所述的超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，其特征在于：为了调节毫米波信号E4信号的频率，使其与需要下变频的毫米波信号输入E5信号的差频保持在1GHz以内，将连接20dB增益的毫米波放大器与40dB增益的毫米波放大器之间的固定滤波器更换为YIG滤波器代替。

10.如权利要求1所述的超低附加相位噪声毫米波信号源的下变频方法，其特征在于：使用短光纤和长光纤使两路光信号获得不同的时延；短光纤和长光纤的长度分别是2km和20km。