DE69432212T2

DE69432212T2 - Einrichtung und Verfahren zum Messen von Phasenrauschen

Info

Publication number: DE69432212T2
Application number: DE69432212T
Authority: DE
Inventors: Clifford W. Meyers
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1994-12-17
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2014-12-18
Also published as: CA2138184C; EP0660124A3; AU8161094A; CA2138184A1; US5412325A; JPH07270464A; AU663033B2; ES2194020T3; EP0660124A2; EP0660124B1; DE69432212D1; JP2869012B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Phasenrauschen- Messsystem mit einer primären Signalquelle zum Bereitstellen eines ersten Signals, dessen Phasenrauschen zu messen ist; einer zweiten und einer dritten Signalquelle zum Bereitstellen eines zweiten und eines dritten Signals, die jeweils im Wesentlichen die gleiche Frequenz und einen ähnlichen Rauschgehalt wie das erste Signal aufweisen, das von der primären Signalquelle bereitgestellt wird; Mischmitteln zum Mischen des ersten Signals mit dem zweiten bzw. mit dem dritten Signal, um zwei jeweilige Differenzsignale zu erzeugen; und Verarbeitungsmitteln zum Verarbeiten der zwei Differenzsignale, um das Phasenrauschen der primären Signalquelle zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen des Phasenrauschens von Signalen, die von einer primären Signalquelle bereitgestellt werden, mit den Schritten:
Bereitstellen eines ersten Signals aus einer primären Signalquelle, dessen Phasenrauschen zu messen ist, Bereitstellen eines zweiten und eines dritten Signals aus einer zweiten und einer dritten Signalquelle, wobei das zweite und das dritte Signal jeweils im Wesentlichen die gleiche Frequenz und einen ähnlichen Rauschgehalt wie das erste Signal aufweisen, das von der primären Signalquelle bereitgestellt wird, Mischen des ersten Signals mit dem zweiten bzw. mit dem dritten Signal, um zwei jeweilige Differenzsignale zu erzeugen, und Verarbeiten der Differenzsignale, um das Phasenrauschen der primären Signalquelle zu bestimmen.
Ein derartiges Phasenrauschen-Messsystem und ein solches Verfahren zum Bestimmen des Phasenrauschens von Signalei sind bekannt aus 1993 IEEE International Frequency Control Symposium, June 1993, US, Seiten 289-297, XP000420145, F. L. Walls: "Reducing Errors, Complexity, and Measurement Time of PM Noise Measurements".
Typische Phasenrauschen-Messtestsets, die kommerziell verfügbar sind, fallen in zwei Hauptkategorien: ein Zweioszillatorsystem (oder Phasendetektorsystem) und ein Verzögerungsleitungsdiskriminatorsystem. Um diese Systeme zu verdeutlichen, wird jedes von diesen separat erörtert. Das Zweioszillatorsystem verwendet zwei Quellen (eine getestete Einheit und eine Referenzquelle), die auf die gleiche Frequenz eingestellt sind und um 90º zueinander phasenverschoben sind. Diese Signale werden in einen doppelt abgeglichenen Mischer ("double balanced mixer") eingegeben, der als ein Phasendetektor verwendet wird, und das resultierende Ausgangssignal wird durch ein Tiefpassfilter geführt. Das verbleibende Signal ist ein Gleichstromsignal niedriger Spannung, das mit einem Wechselstromsignal summiert wird. Die Wechselstromfluktuationen sind proportional zu dem kombinierten Phasenrauschen der ursprünglichen zwei Signalquellen. Dieses Wechselstromsignal wird dann in einen Spektralanalysator eingespeist und das Leistungsspektrum wird einem Benutzer angezeigt. Der hauptsächlich begrenzende Faktor dieses Ansatzes besteht in der Anforderung, dass die Referenzquelle Phasenrausch-Charakteristika besitzen muss, die wenigstens 10 dB besser sind als jene der Quelle, die gemessen wird. In dem Fall von Phasenrauschen-Messungen für Radarsignalquellen besitzen diese Quellen ein sehr niedriges Phasenrauschen und das Auffinden einer Referenz, die demgegenüber überlegen ist, kann sehr schwierig oder unmöglich sein. Daher wird dieses Verfahren hauptsächlich zum Messen von Signalquellen mit höherem Rauschgehalt oder zum Messen von Phasenrauschen nahe dem Träger verwendet.
Das Verzögerungsleitungsdiskriminatorsystem erfordert keine zusätzlichen Referenzquellen. Es verwendet das Signal von der getesteten Einheit und teilt dieses in zwei Signale auf. Das Signal in einem Pfad wird in eine Verzögerungsleitung eingegeben, deren Ausgang einen Phasendetektor speist. Das andere Signal wird direkt in den Phasendetektor eingespeist. Das Erfassen der Phase des verzögerten und des nicht verzögerten Signals erzeugt zusammen einen Diskriminierungseffekt bzw. Unterscheidungseffekt, der ein frequenzmoduliertes Signal proportional zu dem Rauschgehalt erzeugt, der dem Signal zu eigen ist. Dieses FM-Rauschsignal wird dann integriert und gemessen, und zwar von einem Basisband-Spektralanalysator. Dieses System hat einige Einschränkungen. Seine Empfindlichkeit ist proportional zu der Verzögerungszeit und je größer die Verzögerungszeit, um so größer ist die Einfügungsdämpfung. Dies wirkt als eine praktische Begrenzung für die Empfindlichkeit des Systems. Ferner verschlechtert sich die Empfindlichkeit mit 1/f² mit Annäherung an den Träger. Daher ist diese Technik nicht brauchbar zum Messen von sehr stabilen Quellen nahe der Trägerfrequenz.
Der oben genannte Aufsatz von F. L. Walls offenbart eine Messtechnik auf der Grundlage der Zweioszillatortechnik und der Hinzufügung einer Rauschquelle in Reihe zu dem Referenzoszillator. Diese neue Technik soll die Kalibrierungszeit für genaue PM-Messungen in Oszillatoren und anderen Komponenten signifikant reduzieren. Ferner können zwei Referenzen, die mit kalibrierten Rauschquellen ausgestattet sind, in einer Kreuzkorrelation-Konfiguration verwendet werden, um den Rauschbeitrag der Referenz und den Rauschboden des Messsystems zu verringern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Phasenrauschen-Messsystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Phasenrauschen-Messsystem erreicht, wobei die Mischmittel jeweils zwei Signale des ersten, des zweiten und des dritten Signals zur Zeit mischen, um drei jeweilige Differenzsignale zu erzeugen, wobei Servo- bzw. Hilfsmittel zum Verarbeiten der drei Differenzsignale vorgesehen sind, um davon Trägersignale und einen Langzeit-Signaldrift zu entfernen, wobei Wellenform-Aufzeichnungsmittel mit den Mischmitteln gekoppelt sind, um die jeweiligen drei Differenzsignale zu erfassen bzw. einzufangen, und wobei die Verarbeitungsmittel mit den Wellenform-Aufzeichnungsmitteln gekoppelt sind, und zwar zum statistischen Analysieren der drei Differenzsignale, um zusammengesetzte Leistungsspektraldichten dafür zu berechnen, und zum Berechnen von jeweiligen individuellen Leistungsspektraldichten des ersten, des zweiten und des dritten Signals aus den zusammengesetzten Leistungsspektraldichten, und somit Bestimmen des Phasenrauschens der primären Signalquelle.
Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch das eingangs genannte Verfahren zum Bestimmen des Phasenrauschens von Signalen, wobei der Mischschritt beinhaltet, jeweils zwei Signale des ersten, des zweiten und des dritten Signals zur Zeit zu mischen, um drei jeweilige Differenzsignale zu erzeugen, und wobei der Verarbeitungsschritt beinhaltet, die drei Differenzsignale zu verarbeiten, um Restträger und Drift davon zu entfernen, die drei Differenzsignale statistisch zu analysieren, um zusammengesetzte Leistungsspektraldichten dafür zu berechnen, und jeweilige individuelle Leistungsspektraldichten des ersten, des zweiten und des dritten Signals aus den zusammengesetzten Leistungsspektraldichten zu berechnen, um das Phasenrauschen der primären Signalquelle zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung und das vorliegende Verfahren werden dazu verwendet, das Phasenrauschen einer primären Signalquelle zu bestimmen. Das vorliegende System verwendet drei unabhängige Signalquellen, um die Leistungsspektraldichte des Phasenrauschgehalts von Signalen aus jeder hiervon statistisch abzuleiten. Dies wird erreicht, indem jeweils zwei Signale zur Zeit (d. h. Signal eins mit Signal zwei, Signal eins mit Signal drei und Signal zwei mit Signal drei) miteinander gemischt werden und die resultierenden Differenzsignale gemessen werden, wie bspw. mit Wellenform-Aufzeichnungsmitteln. Ein elektronisches Servo- bzw. Hilfssubsystem wird dazu verwendet, die Restprodukte niedriger Frequenz und jeglichen Langzeit-Signaldrift aus den Differenzsignalen zu entfernen, und die Differenzsignale werden dann über drei Kanäle von Wellenform- Aufzeichnungsmitteln eingefangen. Dann werden statistische Analyseroutinen dazu verwendet, die zusammengesetzten Leistungsspektraldichten der Differenzsignale zu berechnen, und um schließlich die individuellen bzw. einzelnen Leistungsspektraldichten der ursprünglichen Signale zu berechnen. Somit wird das Phasenrauschen der primären Signalquelle bestimmt.
Genauer gesagt weist die vorliegende Erfindung ein Phasenrauschen-Messsystem, das eine primäre Signalquelle zum Bereitstellen eines ersten Signals beinhaltet, dessen Phasenrauschen zu messen ist, und eine zweite und eine dritte Signalquelle (zum Bereitstellen eines zweiten und eines dritten Signals, die jeweils im Wesentlichen die gleiche Frequenz und einen ähnlichen Rauschgehalt besitzen wie das erste Signal, das von der primären Signalquelle bereitgestellt wird) aufweist. Mischmittel sind mit den drei Signalquellen gekoppelt, um jeweils zwei Signale von erstem, zweitem und drittem Signal zur Zeit miteinander zu mischen, um drei jeweilige Differenzsignale zu erzeugen. Servo-Elektronik ist mit den Mischmitteln gekoppelt, um Restträgerartifakte niedriger Frequenz und Langzeit-Trägerdrift zu erfassen und hiervon zu entfernen. Wellenform-Aufzeichnungsmittel sind mit den Mischmitteln gekoppelt, um die jeweiligen Größen bzw. Amplituden der drei Differenzsignale einzufangen bzw. zu erfassen. Verarbeitungsmittel sind mit den Wellenform- Aufzeichnungsmitteln gekoppelt, um die drei Differenzsignale zu verarbeiten, und zwar zur statistischen Analyse derselben, um zusammengesetzte Leistungsspektraldichten dafür zu berechnen, und zum Berechnen von jeweiligen individuellen Leistungsspektraldichten des ersten, des zweiten und des dritten Signals aus den zusammengesetzten Leistungsspektraldichten und somit zum Bestimmen des Phasenrauschens der primären Signalquelle.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren bereit zum Bestimmen des Phasenrauschens von Signalen aus einer primären Signalquelle. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte: Bereitstellen eines ersten Signals aus einer primären Signalquelle, dessen Phasenrauschen zu messen ist. Bereitstellen eines zweiten und eines dritten Signals aus einer zweiten bzw. einer dritten Signalquelle, die jeweils im Wesentlichen die gleiche Frequenz und einen ähnlichen Rauschgehalt besitzen wie das erste Signal, das von der primären Signalquelle bereitgestellt wird. Mischen von jeweils zwei Signalen von erstem, zweitem und drittem Signal zur Zeit, um drei jeweilige Differenzsignale zu erzeugen. Anlegen einer Servo-Schleife bzw. eines Hilfskreises an die drei Mischerschaltungen, um Restträgersignale und Langzeitsignaldrift hiervon zu entfernen. Einfangen bzw. Erfassen der drei jeweiligen Differenzsignale. Statistisches Analysieren der drei Differenzsignale, um zusammengesetzte Leistungsspektraldichten dafür zu berechnen. Berechnen von jeweiligen individuellen Leistungsspektraldichten des ersten, des zweiten und des dritten Signals aus den zusammengesetzten Leistungsspektraldichten, um das Phasenrauschen der primären Signalquelle zu bestimmen.
Das vorliegende System und das vorliegende Verfahren verwenden somit mathematische Beziehungen zwischen drei Signalquellen, und zwar bei ähnlichen Größen des Phasenrauschens, um die Leistungsspektraldichte des Rauschgehaltes jeder Quelle zu berechnen. Im Gegensatz zu traditionellen Techniken, die typischerweise ultrastabile Referenzquellen oder teure kalibrierte Verzögerungsleitungen erfordern, erfordert das vorliegende System ein Minimum von Verbindungs-Hardware und lediglich drei kostengünstige Wellenform-Aufzeichnungsmittelkanäle, um ein Beispiel zu nennen. Ferner sind die Größe, das Gewicht und die Kosten zum Erzeugen des vorliegenden Phasenrauschen-Testsystems deutlich niedriger als bei derzeitigen, kommerziell verfügbaren Einheiten.
Herkömmliche Phasenrauschen-Messtechniken zielen typischerweise auf zwei Problembereiche ab: Phasenrauschen in der Nähe des Trägers und Phasenrauschen entfernt von dem Träger. Da diese Probleme zueinander divers sind, benötigt man darüber hinaus für jeden Bereich einen kommerziellen Testset. Die vorliegende Technik hingegen zielt auf das gesamte Problem mit einer einzelnen Systemkonfiguration ab. Dies ist von keinem kommerziellen Systemverkäufer bislang gemacht worden, und ein solches System ist daher bislang nicht verfügbar.
Es wird erwartet, dass künftige Fabrik- und Feld-Testgeräte kleiner werden, im Hinblick auf eine größere Portabilität und niedrigere Kosten. Das vorliegende System beruht auf virtuellen Messinstrumentkonzepten, um dieses Ziel zu erreichen. Virtuelle Instrumente sind derzeit auf dem kommerziellen Markt nicht verfügbar. Das vorliegende System ist dazu ausgelegt, vorhandene Phasenrauschen-Messsysteme zu ersetzen, die derzeit verwendet werden für Phasenmessungen in der Nähe und entfernt von dem Träger. Es besteht gleichfalls eine Notwendigkeit nach einem System, um Bauteile wie Kristalloszillatoren, Synthesizer, Atomuhren und standardmäßige Quellen mit niedrigem oder ultra-niedrigem Rauschen zu testen. Das vorliegende System macht derartige Tests günstiger, wobei weniger Raum benötigt wird.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegende Erfindung ergeben sich unter Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, wobei gleiche Bezugsziffern gleiche strukturelle Elemente bezeichnen und in der:
Fig. 1 ein Systemblockdiagramm eines Phasenrauschen-Messsystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 2 ein Software-Flussdiagramm zeigt, das in dem Phasenrauschen-Messsystem der Fig. 1 eingesetzt ist.
In den Zeichnungsfiguren ist Fig. 1 ein Systemblockdiagramm eines Phasenrauschen-Messsystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Das Phasenrauschen-Messsystem weist zwei Referenzquellen 14, 15 mit geringem Rauschen auf, die beide programmierbar und hinsichtlich der Phase verriegelbar sind. Diese Referenzquellen 14, 15 werden in Verbindung mit einer getesteten Einheit ("unit under test, UUT") 20 verwendet, die eine dritte Quelle aufweist. Die Referenzquellen 14, 15 sind auf die getestete Einheit 20 phasenverriegelt, und zwar mittels einer ersten und einer zweiten Phasenregelschleife 25', 26'. Die Phasenregelschleifen 25', 26' sind dazu ausgelegt, die Auslöschung von Phasenrauschen, das nahe dem Träger liegt, zu minimieren.
Ausgänge von den drei Quellen (den zwei Referenzquellen 14, 15 und der UUT 20) werden an drei Teiler 16, 17, 18 angelegt. Die Ausgänge von den Teilern 16, 17, 18 werden beide an drei Mischer 27, 28 und 29 und an drei programmierbare Phasenschiebeeinrichtungen 24, 25, 26 gespeist. Dies erzeugt drei Sätze von Signalen an den Mischern 27, 28, 29, die um 90º zueinander phasenverschoben sind. Wenn die Ausgänge der Mischer 27, 28, 29 jedoch ein resultierendes Signal mit einem Restträger erzeugen, verschieben ("sweep") elektronische Servo- Einheiten bzw. Servo-Elektronikeinheiten bzw. Hilfselektronikeinheiten 21, 22, 23 die Phasenschiebeeinrichtungen 24, 25, 26, um ein Signal mit einem Träger von 0 Hz (Nullträger) zu erzeugen. Die Ausgänge der drei Mischer 27, 28, 29 werden in ihre jeweiligen Tiefpassfilter 31, 32, 33 gespeist. Diese Filter 31, 32, 33 weisen Mischerprodukte hoher Frequenz zurück und begrenzen ferner die Rauschbandbreite, und zwar dahingehend, dass sie als ein Anti-alias-Filter wirken. Die Ausgänge der Filter 31, 32, 33 werden an drei Wellenform-Aufzeichnungseinrichtungen 11, 12, 13 angelegt. Die Wellenform-Aufzeichnungseinrichtungen 11, 12, 13 digitalisieren die Rauschsignale und koppeln diese zur Analyse in einen Steuer/Prozesscomputer 60.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm von Software 40, die in dem Steuer/Prozesscomputer 60 des Phasenrauschen-Messsystems 10 verwendet bzw. eingesetzt wird. Die Software 40 weist acht funktionale Software-Routinen auf, die die gemessenen Daten verarbeiten und die gewünschten Spektralergebnisse erzeugen. Der erste Hauptabschnitt der Software 40 weist ein Datenakquisitionsmodul 41 auf. Das Datenakquisitionsmodul 41 stellt eine Hardware-Steuerung der Komponenten des Systems 10 bereit und weist zwei Instrumenten-Handhabungseinrichtungen bzw. -Bedieneinrichtungen auf, und zwar eine Wellenform-Aufzeichner- Handhabungseinrichtung 42 für die Wellenform-Aufzeichnungseinrichtungen 11, 12, 13 und eine Handhabungseinrichtung 43 für die rauscharmen Quellen bzw. Quellen 14, 15 mit geringem Rauschen auf. Die Funktionen dieser Handhabungseinrichtungen 42, 43 beinhalten die Einrichtung ("setup") der Wellenform- Aufzeichnungseinrichtungen 11, 12, 13 und der rauscharmen Quellen 14, 15, sowie das Programmieren der Phasen- Schiebeeinrichtungen 24, 25, 26.
Sobald die Daten digitalisiert und von dem Datenakquisitionsmodul 41 aufgenommen sind, wird die Steuerung an ein Phasenanalysemaschinenmodul 44 übergeben. In dem Phasenanalysemaschinenmodul 44 werden die gemischten Phasenrauschdaten analysiert, und zwar unter Verwendung von digitalen Signalverarbeitungstechniken, einschließlich einer Autokorrelations-Generator- Routine 45, einer Mittelwertbildungs-Routine 46, einer Rauschextraktions-Routine 48 und einer Fast-Fourier-Transformations- Routine 47. Die Autokorrelations-Generator-Routine 45 erzeugt Autokorrelationsfunktionen für die drei gemischten und abwärts konvertierten Rauschsignale (R13, R23, R12). Um die zufällige Varianz und Quantisierungsrauschen zu minimieren, die in die Berechnungen eingeführt werden, werden die Autokorrelationsfunktionen für die kombinierten Rauschsignale (R13, R23, R12) gemittelt, und zwar unter Verwendung der Mittelwertbildungs- Routine 46. Die Mittelwertbildungsfunktion beinhaltet das Erlangen bzw. Akquirieren von mehrfachen Signalsätzen und das Berechnen einer Reihe von Autokorrelationsfunktionen für das kombinierte Rauschen (R13, R23, R12). Dann wird jede Autokorrelationsfunktion (d. h. R13) über die Reihe gemittelt. Nach den Mittelwertbildungsberechnungen für das kombinierte Rauschen werden die Autokorrelationsfunktionen (R13, R23, R12) in Leistungsspektraldichtefunktionen (P13, P23, P13) gewandelt, und zwar unter Verwendung der Fast-Fourier-Transformations-Routine 47. Die Wandlung von Autokorrelationsfunktionen in Leistungsspektraldichtefunktionen basiert auf dem Wiener-Khinchin- Theorem. An diesem Punkt werden dann die individuellen Rauschleistungsspektraldichten (P1, P2, P3) berechnet, und zwar unter Verwendung der Rauschextraktions-Routine 48. Die Leistungsspektraldichten (P1, P2, P3) werden dann formatiert und an ein Mensch-Maschine-Schnittstellenmodul 50 übergeben. Das Mensch- Maschine-Schnittstellenmodul 50 handhabt Tastaturinteraktionen, Anzeigefunktionen, Befehlsinterpretationen, Plot-Funktionen und Berechnungen und den gesamten Prozessfluss der Software 40. Dies wird erzielt unter Verwendung einer Prozesssteuerungs- Befehlsinterpretierer-Routine 51 und einer Plot-Routine 52.
Das Phasenrauschen-Messsystem 10 ist dazu ausgelegt, Phasenrauschen in aktiven Bauteilen zu messen, die die getestete Einheit 20 beinhalten, und zwar unter Verwendung von ausgeklügelten digitalen Verarbeitungstechniken. Die Neuheit des Systems 10 liegt in der Art und Weise, wie das Rauschsignal gehandhabt und analysiert wird, und in der Verwendung von Autokorrelationsfunktionen und Spektralleistungsdichtefunktionen in den finalen Analyse-Routinen 45-48 des Phasenanalysemaschinenmoduls 44. Der Wert dieser Technik liegt in dem fundamentalen Kompromiss zwischen Hardware und Software, d. h. wenn Hardware durch Verwendung von Software-Analyse eliminiert werden kann, verringert dies die Kosten des Messsystems 10. Ferner führt das Reduzieren der Hardware zu einem leichteren, kleineren und verlässlicheren Produkt. Das vorliegende System 10 stellt ein Mittel bereit, um sowohl Fabrik- als auch Werkbank-Testanwendungen und Feld-Testanwendungen zu ermöglichen, die verringertes Gewicht, verringerte Größe und verringerte Kosten erfordern.
Das vorliegende Messsystem 10 tauscht Hardware-Komplexität gegen ausgeklügelte Software. Es verwendet die mathematischen Beziehungen zwischen diskreten Zeitmessungen, Autokorrelationsfunktionen, Leistungsspektraldichtewandlungen und Fehlerminimierungstheorien, um den Rauschgehalt aus einem Signal zu extrahieren, das aus der getesteten Einheit 20 abgeleitet wird. Um die Prinzipien und die Theorie hinter der vorliegenden Erfindung klarer herauszustellen, wird nachstehend eine generelle mathematische Beschreibung präsentiert.
Um den Rauschgehalt des Signals von der getesteten Einheit 20 unter Verwendung des vorhandenen Systems 10 zu messen, sind die zwei zusätzlichen Referenzquellen 14, 15 mit im Wesentlichen der gleichen Frequenz und ähnlichem Rauschgehalt erforderlich. Das heißt, alle drei Quellen 14, 15, 20 besitzen dieselbe Trägerfrequenz und weisen Rauschspektren innerhalb von 10 dB in Bezug aufeinander auf. Im Folgenden stellen φ&sub1;(t), φ&sub2;(t) und φ&sub3;(t) jeweils den Phasenrauschgehalt der drei Signalquellen 14, 15, 20 dar und alle drei Quellen 14, 15, 20 weisen Träger im RF-Mikrowellenbereich auf. Die von den drei Signalquellen 14, 15, 20 erzeugten drei Signale sind gegeben durch:
V&sub1;(t) = Sin(Wct + φ&sub1;(t))
V&sub2;(t) = Sin(Wct + φ&sub2;(t))
V&sub3;(t) = Sin(Wct + φ&sub3;(t))
Der nächste Schritt besteht darin, die drei Signale miteinander zu mischen, und zwar jeweils zwei zur Zeit, um drei neue zusammengesetzte Basisbandsignale zu erzeugen. Man nimmt an, dass das Mischen durchgeführt wird, wobei die Signale um 90º phasenverschoben zueinander sind, und die Ergebnisse werden durch Tiefpassfilter 31, 32, 33 geführt, die jeweils eine Verstärkung von Zwei besitzen. Die drei Sätze von Signalen, die von den drei Signalquellen 14, 15, 20 erzeugt werden, sind gegeben durch:
V&sub1;&sub3;(t) = V&sub1;(t) · V&sub3;(t) · 2
V&sub1;&sub2;(t) = V&sub1;(t) · V&sub2;(t) · 2
V&sub2;&sub3;(t) = V&sub2;(t) · V&sub3;(t) · 2
Nach dem Filtern ergibt sich:
V&sub1;&sub3;(t) = Sin(φ&sub1;(t) - φ&sub3;(t))
V&sub1;&sub2;(t) = Sin(φ&sub1;(t) - φ&sub2;(t))
V&sub2;&sub3;(t) = Sin(φ&sub2;(t) - φ&sub3;(t)),
welche Signale den Ausgängen der drei Mischer 27, 28, 29 entsprechen. Die zusammengesetzten Rauschsignale (d. h. φ&sub1;(t) bis φ&sub3;(t)) stellen sehr kleine Winkel (< < 1 Bogenmaß) dar. Daher wird die folgende Vereinfachung durchgeführt, um die Ausgänge der Filter 31, 32, 33 zu erzeugen:
v&sub1;&sub3;(t) [φ&sub1;(t) - φ&sub3;(t)]
V&sub1;&sub2;(t) [φ&sub1;(t) - φ&sub2;(t)]
V&sub1;&sub3;(t) [φ&sub2;(t) - φ(t)]
Da drei unabhängige Signalquellen 14, 15, 20 bereitgestellt werden, ist es ferner vernünftig anzunehmen, dass der Rauschgehalt für jede Quelle 14, 15, 20 unkorreliert ist und dass die drei zusammengesetzten Basisbandrauschsignale unkorreliert zueinander sind. Zusätzlich hierzu wird angenommen, dass die drei Quellen 14, 15, 20 ergodische ("ergotic") Zufallssequenzen erzeugen. Das heißt, die Statistiken dieser Zufallssequenzen lassen sich aus einer einzelnen Sammlung von Beobachtungen bestimmen. Wenn dies richtig ist, lässt sich eine zeitliche Mittelwertbildung durch eine Ensemble-Mittelwertbildung ersetzen. Daher können die Autokorrelationsfunktionen für die drei zusammengesetzten Signale wie folgt berechnet werden. Die folgenden Gleichungen sind in der Autokorrelations-Generator- Routine 45 der Fig. 2 implementiert.
Erweitern von einer der drei Autokorrelationsfunktionen ergibt das Folgende:
R&sub1;&sub3;(t) = r&sub1;(t) - r&sub1;&sub3;(t) - r&sub3;(t) + r&sub3;(t),
wobei r&sub1;, r&sub3; Autokorrelationsfunktionen und r&sub1;&sub3;, r&sub3;&sub1; Kreuzkorrelationsfunktionen sind.
Das Phasenrauschen der drei Signale wird jedoch als unabhängig angenommen. Daher nähern sich sämtliche Kreuzkorrelationsfunktionen Null an und die Autokorrelationsfunktion vereinfacht sich zu:
R&sub1;&sub3;(t) = r&sub1;(t) + r&sub3;(t).
Unter Extrapolieren dieser Ergebnisse werden die Autokorrelationsfunktionen der verbleibenden zusammengesetzten Signale auf ähnliche Art und Weise berechnet.
R&sub1;&sub2;(t) = r&sub1;(t) + r&sub2;(t) und R&sub2;&sub3;(t) = r&sub2;(t) + r&sub3;(t)
Die letzten drei Gleichungen stellen die Autokorrelationsfunktionen dar, die von der Autokorrelations-Generator-Routine 45 berechnet werden.
Die Mittelwertbildungs-Routine 46 summiert eine Vielzahl von Sätzen von Autokorrelationssignalen auf und teilt die resultierende Summe durch die Anzahl von summierten Sätzen, um einen Mittelwert für die jeweiligen Autokorrelationsfunktionen zu erzeugen. Dies mittelt Fluktuationen in den Signalen aus.
Auf der Grundlage des Wiener-Khinchin-Theorems stellt die Fourier-Transformierte der Autokorrelationsfunktion die Leistungsspektraldichte dar. Die folgenden Gleichungen sind in der Fourier-Transformations-Routine 48 der Fig. 2 implementiert.
F{R&sub1;&sub3;(t)} = S&sub1;&sub3;(f)} -∞ ≤ f ≤ + ∞
F{R&sub1;&sub2;(t)} = S&sub1;&sub2;(f)} -∞ ≤ f ≤ + ∞
F{R&sub2;&sub3;(t)} = S&sub2;&sub3;(f)} -∞ ≤ f ≤ + ∞
Für diesen Prozess wäre ein Benutzer mehr interessiert an der Leistung, die in einem Frequenzintervall von 0 bis +∞ enthalten ist, und würde nicht unterscheiden wollen zwischen positiven und negativen Werten der Frequenz. Daher lässt sich eine einseitige Leistungsspektraldichtefunktion wie folgt definieren:
P&sub1;&sub3;(f) = S&sub1;&sub3;(f) + S&sub1;&sub3;(-f) 0 ≤ f ≤ + ∞
P&sub1;&sub2;(f) = S&sub1;&sub2;(f) + S&sub1;&sub2;(-f) 0 ≤ f ≤ + ∞
P&sub2;&sub3;(f) = S&sub2;&sub3;(f) + S&sub2;&sub3;(-f) 0 ≤ f ≤ + ∞.
Aus dem Obigen ergibt sich
R&sub1;&sub3;(t) = r&sub1;(t) + r&sub3;(t)
und die Fourier-Transformierte von R&sub1;&sub3;(t) lässt sich wie folgt darstellen:
F{R&sub1;&sub3;(t)} = F{r&sub1;(t)} + F{r&sub3;(t)}, oder
S&sub1;&sub3;(f) = S&sub1;(f) + S&sub3;(f) 0 ≤ f ≤ ∞
Umwandeln der doppelseitigen Leistungsspektraldichte in eine einseitige Darstellung ergibt:
P&sub1;&sub3;(f) = P&sub1;(f) + P&sub3;(f) 0 ≤ f ≤ ∞
Daher führt Extrapolieren dieser Ergebnisse für alle drei Leistungsspektaldichten zu den folgenden Gleichungen:
P&sub1;&sub3;(f) = P&sub1;(f) + P&sub3;(f) 0 ≤ f ≤ ∞
P&sub1;&sub2;(f) = P&sub1;(f) + P&sub2;(f) 0 ≤ f ≤ ∞
P&sub2;&sub3;(f) = P&sub2;(f) + P&sub3;(f) 0 ≤ f ≤ ∞.
Mit diesen drei Gleichungen ist es möglich, nach den individuellen Leistungsspektraldichten der drei Quellen 14, 15, 20 aufzulösen, die dargestellt sind durch P&sub1;(f), P&sub2;(f) und P&sub3;(f), und zwar als eine Funktion der gemessenen zusammengesetzten Leistungsspektraldichten, die dargestellt sind durch P&sub1;&sub3;(f), P&sub1;&sub2;(f) und P&sub2;&sub3;(f). Dies ist in der Rauschextraktions-Routine 48 implementiert.
P&sub1;(f) = [P&sub1;&sub3;(f) + P&sub1;&sub2;(f) - P&sub2;&sub3;(f)]/2
P&sub2;(f) = [P&sub1;&sub2;(f) + P&sub2;&sub3;(f) - P&sub1;&sub3;(f)]/2
P&sub3;(f) = [P&sub1;&sub3;(f) + P&sub2;&sub3;(f) - P&sub1;&sub2;(f)]/2.
Die oben dargestellte mathematische Beschreibung ist für den Fall eines kontinuierlichen Systems.
Die Implementierung eines "echten" Instrumentes zur Durchführung dieses Prozesses erfordert jedoch eine Diskretisierung und komplexe digitale Signalverarbeitung. Daher ist es wichtig, den Prozess für Systeme zu validieren, die durch diskrete Datenabtastwerte gekennzeichnet sind.
Man nimmt an, dass φ&sub1;(nAt), φ&sub2;(nΔt) und φ&sub3;(nΔt) den diskret abgetasteten Phasenrauschgehalt der drei diskreten Signalquellen 14, 15, 20 darstellen. Diese Signalquellen 14, 15, 20 (und ihr Rauschgehalt) waren ursprünglich kontinuierliche Signale, die auf ein 0-Hz-Basisband herabgemischt und dann digitalisiert wurden. Der Mischprozess ist der Gleiche wie oben beschrieben.
V&sub1;&sub3;(nΔt) = Sin[φ&sub1;(nΔt) - φ&sub3;(nΔt)] 0 ≤ n ≤ N-1
V&sub1;&sub2;(nΔt) = Sin[φ&sub1;(nΔt) - φ&sub2;(nΔt)] 0 ≤ n ≤ N-1
V&sub1;&sub3;(nΔt) = Sin[φ&sub2;(nΔt) - φ&sub3;(nΔt)] 0 ≤ n ≤ N-1
Die zusammengesetzten Rauschsignale (d. h. φ&sub1;(nΔt) - φ&sub3;nΔt)) stellen sehr kleine Winkel dar (< < 1 Bogenmaß). Daher wird die folgende Vereinfachung vorgenommen:
V&sub1;&sub3;(nΔt) [φ&sub1;(nΔt) - φ&sub3;(nΔt)] 0 ≤ n ≤ N-1
V&sub1;&sub2;(nΔt) [φ&sub1;(nΔt) - φ&sub2;(nΔt)] 0 ≤ n ≤ N-1
V&sub2;&sub3;(nΔt) [φ&sub2;(nΔt) - φ&sub3;(nΔt)] 0 ≤ n ≤ N-1
Da es sich um drei unabhängige Signalquellen 14, 15, 20 handelt, ist es ebenfalls vernünftig anzunehmen, dass ihre Rauschgehalte gleichfalls unkorreliert sind. Es wird ebenso angenommen, dass die drei Quellen 14, 15, 20 eine diskrete ergodische Zufallssequenz erzeugen. Daher lassen sich die diskreten Autokorrelationsfunktionen für die drei zusammengesetzten Signale wie folgt berechnen:
Das Erweitern der diskreten Autokorrelationsfunktionen und Evaluieren derselben führt zu:
Wenn die Signale φ&sub1;(nΔt), φ&sub2;(nΔt) und φ&sub3;(nΔt) unabhängig voneinander und unkorreliert sind, dann sollten ihre diskreten Kreuzkorrelationsfunktionen sich Null annähern. Daher gilt:
R&sub1;&sub3;(mΔt) = r&sub1;(mΔt) + r&sub3;(mΔt)
R&sub2;&sub3;(mΔt) = r&sub2;(mΔt) + r&sub3;(mΔt)
R&sub1;&sub2;(mΔt) = r&sub1;(mΔt) + r&sub2;(mΔt)
Auf der Grundlage des Wiener-Kinchin-Theorems stellt die diskrete Fourier-Transformierte der diskreten Autokorrelationsfunktion die Leistungsspektraldichte dar.
F{R&sub1;&sub2;(mΔt)} = S&sub1;&sub2;(fm)
F{R&sub2;&sub3;(mΔt)} = S&sub2;&sub3;(fm)
und
S&sub1;&sub3;(fm) = S&sub1;(fm) + S&sub3;(fm)
S&sub1;&sub2;(fm) = S&sub1;(fm) + S&sub2;(fm)
S&sub2;&sub3;(fm) = S&sub2;(fm) + S&sub3;(fm) .
Es ist jedoch anzumerken, dass ein alternatives Verfahren zum Berechnen von diskreten Leistungsspektraldichtefunktionen darin besteht, ein Periodogramm-Verfahren zu verwenden. Das Periodogramm-Verfahren wird implementiert, indem eine diskrete Fourier-Transformierte des diskreten Zeitebenensignals herangezogen wird und dann die Leistungsspektraldichte berechnet wird. Dies erfolgt in der Fast-Fourier-Transformations-Routine 47.
V(fm) = V(mΔt)e-j2πfm
S(fm) = 1/N V(fm) ²
Die diskreten Leistungsspektraldichtefunktionen werden dann auf dieselbe Art und Weise wie oben beschrieben in ein einseitiges Leistungsspektrum gewandelt.
P&sub1;&sub3;(fm) = S(fm) + S(-fm) , und daher gilt:
P&sub1;&sub3;(fm) = P&sub1;(fm) + P&sub3;(fm)
P&sub1;&sub2;(fm) = P&sub1;(fm) + P&sub2;(fm)
P&sub2;&sub3;(fm) = P&sub2;(fm) + P&sub3;(fm)
An diesem Punkt liegen drei Gleichungen mit drei Unbekannten vor und die Gleichungen lassen sich nach den individuellen Leistungsspektraldichten auflösen.
P&sub1;(fm) = [P&sub1;&sub3;(fm) + P&sub1;&sub2;(fm) - P&sub2;&sub3;(fm)]/2
P&sub2;(fm) = [P&sub1;&sub2;(fm) + P&sub2;&sub3;(fm) - P&sub2;&sub3;(fm)]/2
P&sub3;(fm) = [P&sub1;&sub3;(fm) + P&sub2;&sub2;(fm) - P&sub1;&sub2;(fm)]/2
Demzufolge ist ein neues und verbessertes Phasenrauschen- Messsystem beschrieben worden, das drei unabhängige Signalquellen verwendet, um die Leistungsspektraldichte des Phasenrauschgehaltes in jeder der Quellen statistisch abzuleiten. Es versteht sich, dass die oben beschriebene Ausführungsform für einige von vielen speziellen Ausführungsformen lediglich illustrativ ist, die Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen. Für Fachleute ergeben sich auf deutliche Weise eine Vielzahl und weitere Anordnungen, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Phasenrauschen-Messsystem (10), mit

einer primären Signalquelle (20) zum Bereitstellen eines ersten Signals, dessen Phasenrauschen zu messen ist;

einer zweiten und einer dritten Signalquelle (14, 15) zum Bereitstellen eines zweiten und eines dritten Signals, die jeweils im wesentlichen die gleiche Frequenz und einen ähnlichen Rauschgehalt wie das erste Signal aufweisen, das von der primären Signalquelle (20) bereitgestellt wird;

Mischmitteln (30) zum Mischen des ersten Signals mit dem zweiten bzw. mit dem dritten Signal, um zwei jeweilige Differenzsignale zu erzeugen; und

Verarbeitungsmitteln (60) zum Verarbeiten der zwei Differenzsignale, um das Phasenrauschen der primären Signalquelle (20) zu bestimmen,

gekennzeichnet durch

die Tatsache, dass die Mischmittel (30) jeweils zwei Signale des ersten, des zweiten und des dritten Signals zur Zeit mischen, um drei jeweilige Differenzsignale zu erzeugen;

Servomittel (22, 23, 24) zum Verarbeiten der drei Differenzsignale, um davon Trägersignale und einen Langzeit-Signaldrift zu entfernen;

Wellenform-Aufzeichnungsmittel (11, 12, 13), die mit den Mischmitteln (30) gekoppelt sind, um die jeweiligen drei Differenzsignale zu erfassen;

die Tatsache, dass die Verarbeitungsmittel (60) mit den Wellenform-Aufzeichnungsmitteln (11, 12, 13) gekoppelt sind, und zwar zum statistischen Analysieren der drei Differenzsignale, um zusammengesetzte Leistungsspektraldichten dafür zu berechnen, und zum Berechnen von jeweiligen individuellen Leistungsspektraldichten des ersten, des zweiten und des dritten Signals (14, 15, 20) aus den zusammengesetzten Leistungsspektraldichten, und somit Bestimmen des Phasenrauschens der primären Signalquelle (20).

2. System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischmittel (30) aufweisen:

eine Vielzahl von Mischern (27, 28, 29);

eine Vielzahl von Signalteilern (16, 17, 18), die selektiv zwischen den Signalquellen (14, 15, 20) und ersten Eingängen der jeweiligen Mischer (27, 28, 29) angeschlossen sind;

eine Vielzahl von programmierbaren Phasenschiebeeinrichtungen (24, 25, 26), die jeweils zwischen einem ausgewählten Teiler (16, 17, 18) und zweiten Eingängen von ausgewählten Mischern (27, 28, 29) angeschlossen sind; und

eine Vielzahl von Filtern (31, 32, 33), die an jeweilige Ausgänge der Vielzahl von Mischern (27, 28, 29) angeschlossen sind.

3. System (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenform-Aufzeichnungsmittel (11, 12, 13) durch drei Wellenform-Aufzeichnungskanäle gekennzeichnet sind.

4. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Phasenregelkreisen (25', 26').

5. Verfahren zum Bestimmen des Phasenrauschens von Signalen, die von einer primären Signalquelle (20) bereitgestellt werden, mit den Schritten:

Bereitstellen eines ersten Signals aus einer primären Signalquelle (20), dessen Phasenrauschen zu messen ist;

Bereitstellen eines zweiten und eines dritten Signals aus einer zweiten und einer dritten Signalquelle (14, 15), wobei das zweite und das dritte Signal jeweils im wesentlichen die gleiche Frequenz und einen ähnlichen Rauschgehalt wie das erste Signal aufweisen, das von der primären Signalquelle (20) bereitgestellt wird;

Mischen des ersten Signals mit dem zweiten bzw. dem dritten Signal, um zwei jeweilige Differenzsignale zu erzeugen und;

Verarbeiten der Differenzsignale, um das Phasenrauschen der primären Signalquelle zu bestimmen;

dadurch gekennzeichnet, dass

der Mischschritt beinhaltet, jeweils zwei Signale des ersten, des zweiten und des dritten Signals zur Zeit zu mischen, um drei jeweilige Differenzsignale zu erzeugen, und

der Verarbeitungsschritt beinhaltet,

die drei Differenzsignale zu verarbeiten, um Restträger und Drift davon zu entfernen;

die drei Differenzsignale statistisch zu analysieren, um zusammengesetzte Leistungsspektraldichten dafür zu berechnen und

jeweilige individuelle Leistungsspektraldichten des ersten, des zweiten und des dritten Signals (14, 15, 20) aus den zusammengesetzten Leistungsspektraldichten zu berechnen, um das Phasenrauschen der primären Signalquelle (20) zu bestimmen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Verarbeitens der drei Differenzsignale zum Entfernen des Restträgers und der Drift davon den Schritt aufweist:

Wobbeln einer Vielzahl von Phasenschiebeeinrichtungen (25, 26), um die jeweiligen Restträger und den Drift von den drei Differenzsignalen zu entfernen.