CN114325533B - 一种信号源分析仪相位噪声校准方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种信号源分析仪相位噪声校准方法，包括以下步骤：低相噪光频梳通过光学锁频方式锁定在高稳光源上；对低相噪光频梳进行光电变频产生谐波序列电信号；通过滤波提取设定频率的微波载频信号，再对所述微波载频信号进行放大至设定功率；通过程控衰减器对微波载频信号进一步进行幅度控制后，以所述设定功率以下的一个或多个功率点值条件下，输入信号分析仪，分别对信号分析仪的相位噪声测量灵敏度进行校准；依据线性关系，确定信号分析仪的相位噪声测量灵敏度。本申请还包含实现所述方法的信号源分析仪相位噪声校准装置。本申请克服了标准源相位噪声无法满足测试水平的问题。
Description
技术领域
本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于线性原理的信号源分析仪相位噪声校准源装置和校准方法。
背景技术
传统相位噪声测量系统的相位噪声测量灵敏度通过自相关法进行校准，但这种以检相桥为基础的方法并不适合目前基于互相关技术的信号源分析仪的相位噪声灵敏度的校准。由于此类信号源分析仪是单端口输入的测量模式，所以只能采用经典的“源检表”的校准方法。鉴于信号源分析仪超低的相位噪声测量灵敏度，必须要求校准源具备优越的相位噪声性能即优于相位噪声测量灵敏度10dB以上。但是，从目前信号源分析仪的相位噪声测量灵敏度的技术指标来分析，无论采用何种方式产生的校准源的相位噪声都达不到这种量传要求。目前的校准源的缺点是：相位噪声性能优越时输出功率大，输出功率小时相位噪声性能也差。也就是说，目前的校准源合成方式，在小信号条件下，相位噪声指标较差，不符合上述量传关系，因此无法作为校准源装置使用。
所以本专利中提出的一种基于线性原理的信号源分析仪相位噪声校准源装置的优点是能够产生小信号输出条件下，保持优越的相位噪声特性。
发明内容
本申请提出一种信号源分析仪相位噪声校准方法和装置，目的在于解决“源检表”校准模式下，标准源相位噪声无法满足10dB量传关系的难题。特别适用于高灵敏度信号源分析仪相位噪声测量灵敏度的校准工作，
一方面，本申请实施例提出一种信号源分析仪相位噪声校准方法，包括以下步骤：
低相噪光频梳通过光学锁频方式锁定在高稳光源上；
对低相噪光频梳进行光电变频产生谐波序列电信号；
通过滤波提取设定频率的微波载频信号，再对所述微波载频信号进行放大至设定功率；
通过程控衰减器对微波载频信号进一步进行幅度控制后，以所述设定功率以下的一个或多个功率点值条件下，输入信号分析仪，分别对信号分析仪的相位噪声测量灵敏度进行校准；
依据线性关系，确定信号分析仪的相位噪声测量灵敏度。
优选地，所述高稳光源，线宽小于第一设定阈值；所述低相噪光频梳，引入底部噪声小于第二设定阈值；所述光电变频引入底部噪声小于第三设定阈值。
优选地，所述光学锁频方式包含拍频锁定，对低相噪光频梳输出光和高稳光源的输出光进行混频生成的第一差拍频率，用PID技术锁定第一差拍频率。
优选地，所述光学锁频方式包含重频锁定，对光频梳输出的重频与偏置信号进行混频生成的第二差拍频率，用PID技术锁定第二差拍频率。
优选地，所述光学锁频方式包含偏置频率锁定，对光频梳输出光进行光电转换获得第三差拍频率，用PID技术锁定第三差拍频率。
另一方面，本申请实施例提出一种信号源分析仪相位噪声校准装置，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，包括高稳光源、光纤拍频锁定环路、低相噪光频梳、光电变频链路、程控衰减器。
所述高稳光源的光输出端和所述光纤拍频锁定环路的光输入端用单模光纤连接；光纤拍频锁定环路的输出信号与低相噪光频梳的压控端用射频电缆相连；所述低相噪光频梳输出光经光电变频链路输出微波载频信号；再经程控衰减器输出。
优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含高稳光源拍频锁定环路。所述高稳光源拍频锁定环路包含：低相噪光频梳输出光和高稳光源输出光经光学混频器生成第一差拍频率；将第一差拍频率信号与DDS第一输出信号经第一射频混频器生成第一误差信号，经过第一PID环路生成第一反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端。
优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含重频锁定环路。所述重频锁定环路包含：低相噪光频梳输出重频信号经倍频后，和偏置信号经第二射频混频器生成第二差拍频率，将第二差拍频率信号与DDS第二输出信号经第三射频混频器生成第二误差信号，经第二PID环路生成第二反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端。
优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含偏置频率锁定环路。所述偏置频率锁定环路包含：低相噪光频梳输出光经光电转换后得到第三差拍频率，将第三差拍频率信号与DDS第三输出信号经第四射频混频器生成第三误差信号，经第三PID环路生成第三反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的调制端。
优选地，所述光电变频链路，包含光电转换器、带通滤波器、微波放大器。所述低相噪光频梳输出光经光电转换器生成微波谐波序列；经带通滤波器提取目标频率成分，经微波放大器输出微波载频信号。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本申请的装置和方法，可以解决信号源分析仪相位噪声测量灵敏度无法校准的问题，其具有以下优点：小信号条件下，相位噪声依然优越；基于线性原理，可以满足校准相位噪声测量灵敏度时的量传要求。因此，本申请解决了以下原因导致信号源分析仪相位噪声测量灵敏度无法校准的问题：信号源分析仪的相位噪声灵敏度优于校准源的相位噪声指标；目前的校准源无法做到小信号条件下，优越的相位噪声输出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请方法的实施例流程图；
图2为本申请装置的实施例；
图3为光纤拍频锁定环路的实施例；
图4为光电变频链路的实施例。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本申请方法的实施例流程图。
一方面，本申请实施例提出一种信号源分析仪相位噪声校准方法，包括以下步骤：
步骤101、低相噪光频梳通过光学锁频方式锁定在高稳光源上。
优选地，所述光学锁频方式包含拍频锁定，对低相噪光频梳输出光和高稳光源的输出光进行混频生成的第一差拍频率，用PID技术锁定第一差拍频率。
优选地，所述光学锁频方式包含重频锁定，对光频梳输出的重频与偏置信号进行混频生成的第二差拍频率，用PID技术锁定第二差拍频率。
优选地，所述光学锁频方式包含偏置频率锁定，对光频梳输出光进行光电转换获得第三差拍频率，用PID技术锁定第三差拍频率。
优选地，所述高稳光源，线宽小于第一设定阈值；所述低相噪光频梳，引入底部噪声小于第二设定阈值。在本申请的实施例中，高稳光源的线宽小于1Hz，波长1550nm±20nm，输出光功率+11dBm；低相噪光频梳的重复频率是1GHz，输出光脉冲功率+11dBm，底部噪声小于-160dBc/Hz@100kHz。
步骤102、对低相噪光频梳进行光电变频产生谐波序列电信号；通过滤波提取设定频率的微波载频信号，再对所述微波载频信号进行放大至设定功率。
所述光电变频引入底部噪声小于第三设定阈值。在本申请的实施例中，光电变频链路的输入光功率>+5dBm，底部噪声小于-170dBc/Hz@100kHz，输出电信号频率范围1GHz～40GHz，电信号输出功率>+8dBm。
所述设定功率，例如为-5dBm。
步骤103、通过程控衰减器对微波载频信号进一步进行幅度控制后获得小信号，以所述设定功率以下的一个或多个功率点值条件下，输入信号分析仪，分别对信号分析仪的相位噪声测量灵敏度进行校准。
当通过多个功率点值进行测试后，可对测量值进行数据拟合，生成灵敏度/输入功率曲线。
在本申请的实施例中，所述小信号的输出功率范围在程控衰减器的控制下为-25dBm～0dBm，例如小信号的输出频率是10GHz时，输出功率在-25dBm～0dBm范围内，相位噪声均在-150dBc/Hz@10kHz。
步骤104、依据线性关系，确定指定功率条件下信号分析仪的相位噪声测量灵敏度。
由于信号源分析仪均是在线性区域内进行检相工作，所以其相位噪声测量灵敏度会随着输入校准源功率的减小，导致相位噪声测量灵敏度变差，基于这种线性原理，本专利提出在小功率输入条件下对信号源的相位噪声测量灵敏度进行校准，依据线性拟合关系推算高功率条件下的信号源分析仪的相位噪声测量灵敏度。此时，信号源分析仪相位噪声测量灵敏度校准中所采用的校准源，需要相当优越的相位噪声特性。
图2为本申请装置的实施例。
另一方面，本申请实施例提出一种信号源分析仪相位噪声校准装置，用于实现本申请任意一项实施例所述方法，包括高稳光源21、光纤拍频锁定环路22、低相噪光频梳23、光电变频链路24、程控衰减器25。
所述高稳光源的光输出端和所述光纤拍频锁定环路的光输入端用单模光纤连接。光纤拍频锁定环路的输出信号与低相噪光频梳的压控端用射频电缆相连。所述低相噪光频梳输出光经光电变频链路输出微波载频信号。
具体地，如图2，低相噪光频梳的光频输出端与光纤拍频锁定环路的光梳端(即光梳脉冲输入端口)单模光纤连接。低相噪光频梳的输出端与光电变频链路的输入端单模光纤连接，光电变频链路的输出端与程控衰减器的输入端用射频电缆连接，程控衰减器的输出端作为校准源装置的输出信号端，再接入待测试信号分析仪26。
在本申请的实施例中，光纤拍频锁定环路的参考光源输入功率>+5dBm，光频梳输入功率>+5dBm，环路带宽小于1Hz。
本申请基于线性原理的信号源分析仪相位噪声校准源装置之所以能够在小信号条件下，仍然能保持优越的相位噪声特性，这是因为高稳光源在光域上具备优越的噪声特性，而低相噪光频梳是将光域转换到电域的媒介，其起到了光频的分频作用，用1550nm的光频分频到微波频率，分频系数达到1E6，相位噪声达到微波频率上时，就可以优化120dB以上，从理论上讲，这样得到的微波信号的相位噪声可以达到-200dBc/Hz，微波信号的功率是16dBm。所以即使在小信号条件下，例如小信号输出功率为-20dBm，理论上，其相位噪声仍然可以保持-164dBc/Hz的水平，以这种信号的相位噪声水平对信号源分析仪的相位噪声测量灵敏度的校准完全满足要求。
图3为光纤拍频锁定环路的实施例。
低相噪光频梳锁定在高稳光源上采用的是光纤拍频锁定环路，光纤拍频锁定环路的组成如图3所示，实现三个方面的功能，一个是低相噪光频梳与高稳光源的拍频锁定环路，一个是光频梳的重频锁定环路，一个是光频梳的偏置频率锁定环路。
优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含高稳光源拍频锁定环路。所述高稳光源拍频锁定环路包含：低相噪光频梳23输出光和高稳光源21输出光经光学混频器311生成第一差拍频率；将第一差拍频率信号与DDS 313第一输出信号经第一射频混频器312生成第一误差信号，经过第一PID环路314生成第一反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端PZT。例如，低相噪光频梳与高稳光源的拍频锁定环路，如图3所示，低相噪光频梳的输出光脉冲与高稳光源进行光学混频，混频得到的第一差拍频率为0～125MHz的差拍信号，此差拍信号与DDS的频率35MHz的第一输出信号进行射频鉴相，鉴相误差经过PID环路进行积分，积分输出给低相噪光频梳的压电陶瓷，形成拍频锁定环路。
优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含重频锁定环路。所述重频锁定环路包含：低相噪光频梳23输出重频信号经倍频后，和偏置信号322经第二射频混频器323生成第二差拍频率，将第二差拍频率信号与DDS 325第二输出信号经第三射频混频器324生成第二误差信号，经第二PID环路326生成第二反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端。具体地，例如，光频梳的重频锁定环路是低相噪光频梳的输出光脉冲，重频250MHz，通过光学四倍频器321，将重频倍频到1GHz，此1GHz信号通过与偏置信号780MHz的混频，得到差拍信号，为第二差拍频率20MHz的差拍信号，与DDS输出的信号进行鉴相，鉴相误差经过第二PID环路，输出第二反馈信号，经加法器327与第一反馈信号共同输至低相噪光频梳的压电陶瓷控制端口。
优选地，所述光纤拍频锁定环路，包含偏置频率锁定环路。所述偏置频率锁定环路包含：低相噪光频梳23输出光经光电转换器331后得到第三差拍频率，将第三差拍频率信号与DDS 333第三输出信号经第四射频混频器332生成第三误差信号，经第三PID环路334生成第三反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的调制端。具体地，例如，光频梳的偏置频率锁定环路，低相噪光频梳经过光电转换器后，得到第三差拍频率0～125MHz的差拍信号，此差拍信号与DDS的输出频率35MHz进行射频鉴相，鉴相误差通过PID环路积分，环路积分输出给低相噪光频梳的EOM端，形成偏置频率锁定环路。
图4为光电变频链路的实施例。
优选地，所述光电变频链路，包含光电转换器、带通滤波器、微波放大器。所述低相噪光频梳输出光经光电转换器生成微波谐波序列；经带通滤波器提取目标频率成分，经微波放大器输出微波载频信号。
例如，光频梳的输出光脉冲通过光电转换器进行光电转换，光电转换器的暗电流小于5Na，响应度大于0.8A/W，频率范围覆盖需校准的频率点，光电转换得到的微波谐波序列经过带通滤波器进行提取载频，提取得到的载频信号经过微波放大器进行放大。
本申请的装置工作时，低相噪光频梳通过光纤拍频锁定环路锁定在高稳光源上，锁定后的低相噪光频梳作为光信号到电信号的微波媒介，通过光电探测器产生谐波序列，谐波序列通过滤波器进行载波提取，得到校准源的频率谱线，此频率信号通过单级放大器进行增益补偿，输出功率控制在-5dBm左右，经过放大后的频率信号通过程控衰减器进行幅度控制。采用这种方式得到的校准源，其充分利用了高稳光源的光域特性，通过低相噪光频梳进行高次分频变换，得到的微波信号的相位噪声，即使在小信号条件下，其相位噪声依然非常优越。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种信号源分析仪相位噪声校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
低相噪光频梳通过光学锁频方式锁定在高稳光源上；
对低相噪光频梳进行光电变频产生谐波序列电信号，低相噪光梳将光频分频到微波频率，微波信号功率16dBm时，相位噪声达到-200dBc/Hz；
谐波序列通过滤波器进行载波提取，得到校准源的频率谱线，此频率信号通过单级放大器进行增益补偿，输出功率控制在-5dBm；
通过程控衰减器对微波载频信号进一步进行幅度控制后获得小信号，功率范围在-25dBm～0dBm多个功率点值条件下，输入信号分析仪，分别对信号分析仪的相位噪声测量灵敏度进行校准；
依据线性关系，确定信号分析仪的相位噪声测量灵敏度。
2.如权利要求1所述信号源分析仪相位噪声校准方法，其特征在于，所述高稳光源，线宽小于第一设定阈值；所述低相噪光频梳，引入底部噪声小于第二设定阈值；所述光电变频引入底部噪声小于第三设定阈值。
3.如权利要求1所述信号源分析仪相位噪声校准方法，其特征在于，所述光学锁频方式包含拍频锁定，对低相噪光频梳输出光和高稳光源的输出光进行混频生成的第一差拍频率，用PID技术锁定第一差拍频率。
4.如权利要求1所述信号源分析仪相位噪声校准方法，其特征在于，所述光学锁频方式包含重频锁定，对光频梳输出的重频与偏置信号进行混频生成的第二差拍频率，用PID技术锁定第二差拍频率。
5.如权利要求1所述信号源分析仪相位噪声校准方法，其特征在于，所述光学锁频方式包含偏置频率锁定，对光频梳输出光进行光电转换获得第三差拍频率，用PID技术锁定第三差拍频率。
6.一种信号源分析仪相位噪声校准装置，用于实现权利要求1～5任意一项所述方法，其特征在于，包括高稳光源、光纤拍频锁定环路、低相噪光频梳、光电变频链路、程控衰减器；
所述高稳光源的光输出端和所述光纤拍频锁定环路的光输入端用单模光纤连接；光纤拍频锁定环路的输出信号与低相噪光频梳的压控端用射频电缆相连；所述低相噪光频梳输出光经光电变频链路输出微波载频信号；再经程控衰减器输出。
7.如权利要求6所述信号源分析仪相位噪声校准装置，其特征在于，
所述光纤拍频锁定环路，包含高稳光源拍频锁定环路；所述高稳光源拍频锁定环路包含：低相噪光频梳输出光和高稳光源输出光经光学混频器生成第一差拍频率；将第一差拍频率信号与DDS第一输出信号经第一射频混频器生成第一误差信号，经过第一PID环路生成第一反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端。
8.如权利要求6所述信号源分析仪相位噪声校准装置，其特征在于，
所述光纤拍频锁定环路，包含重频锁定环路；所述重频锁定环路包含：低相噪光频梳输出重频信号经倍频后，和偏置信号经第二射频混频器生成第二差拍频率，将第二差拍频率信号与DDS第二输出信号经第三射频混频器生成第二误差信号，经第二PID环路生成第二反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的压控输入端。
9.如权利要求6所述信号源分析仪相位噪声校准装置，其特征在于，
所述光纤拍频锁定环路，包含偏置频率锁定环路；所述偏置频率锁定环路包含：低相噪光频梳输出光经光电转换后得到第三差拍频率，将第三差拍频率信号与DDS第三输出信号经第四射频混频器生成第三误差信号，经第三PID环路生成第三反馈信号，输入至所述低相噪光频梳的调制端。
10.如权利要求6所述信号源分析仪相位噪声校准装置，其特征在于，
所述光电变频链路，包含光电转换器、带通滤波器、微波放大器；
所述低相噪光频梳输出光经光电转换器生成微波谐波序列；经带通滤波器提取目标频率成分，经微波放大器输出微波载频信号。
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| Title |
|---|
| 超稳光生微波源关键技术及实验研究;闫露露;中国博士学位论文全文数据库工程科技II辑;第 4 章、第 5.2.2节 * |
| 闫露露.超稳光生微波源关键技术及实验研究.中国博士学位论文全文数据库工程科技II辑.2019,第 4 章、第 5.2.2节. * |
| 高相干的双光学频率梳系统的研究及其应用;邓泽江;中国博士学位论文全文数据库基础科学辑;第 2、3 章 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114325533A (zh) | 2022-04-12 |
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