具有兩種測(cè)量功能的高性能頻譜分析儀FSU的設(shè)計(jì)

引言

無(wú)線傳輸?shù)氖瞻l(fā)模塊的性能主要取決于所用本振的相位噪聲，因此模塊特性的準(zhǔn)確測(cè)量，特別是相位噪聲的測(cè)量，是進(jìn)行有效通信和廣播的基本保證。在常用的相位測(cè)量應(yīng)用中，一臺(tái)頻譜分析儀通?？梢詽M足測(cè)試要求。但是，如果需要更大的動(dòng)態(tài)范圍、更高的測(cè)量精度以及更多的靈活性時(shí)，基于鎖相環(huán)（PLL）的測(cè)量法更適合相位噪聲的測(cè)量。信號(hào)源分析儀FSUP在一臺(tái)儀表上集合了這兩種功能：一臺(tái)50GHz的高性能頻譜分析儀FSU，同時(shí)具備基于鎖相環(huán)測(cè)量法的相位噪聲測(cè)量功能。

基于鎖相環(huán)法測(cè)量相位噪聲

通常，基于鎖相環(huán)法測(cè)量相位噪聲非常復(fù)雜，而測(cè)量的校準(zhǔn)工作更為麻煩。FSUP為客戶大大地簡(jiǎn)化了整個(gè)測(cè)量步驟，使得相位噪聲的測(cè)量只需一個(gè)按鍵。此外，用戶可以選擇外部或內(nèi)部參考源，也可以選擇任一種參考源和比較器。然而，更多的應(yīng)用是利用內(nèi)部比較器和內(nèi)部參考源進(jìn)行測(cè)量， FSUP將這樣的測(cè)量方式設(shè)置為默認(rèn)方式，當(dāng)然用戶也可通過(guò)簡(jiǎn)易的菜單選擇其它測(cè)量方式。

圖1 利用鑒相器法測(cè)量相位噪聲－信號(hào)頻率、電平以及殘余噪聲的同時(shí)顯示

儀器中的預(yù)測(cè)量功能會(huì)測(cè)量振蕩器的所有重要參數(shù)，比如功率和調(diào)諧斜率等。然后FSUP將自動(dòng)選擇理想的測(cè)量參數(shù)。根據(jù)輸入頻率的不同，儀器利用內(nèi)部的頻率倍頻器使內(nèi)部參考源工作在一個(gè)理想的范圍內(nèi)。同時(shí)，用戶也可以改變預(yù)置的參數(shù)。頻率偏移范圍以及其它一些測(cè)量設(shè)置參數(shù)，像帶寬、濾波器類(lèi)型、平均次數(shù)等同樣容易設(shè)置。菜單的設(shè)置跟應(yīng)用固件FS-k40相類(lèi)似，從而使得操作非常簡(jiǎn)單。

當(dāng)開(kāi)始測(cè)量相位噪聲時(shí)，屏幕上會(huì)顯示“Locked”或者“Unlocked”表明鎖相環(huán)是否鎖定，如果已經(jīng)鎖定則測(cè)量可以開(kāi)始。環(huán)路帶寬可以根據(jù)需要而改變，同時(shí)在測(cè)量過(guò)程中鑒相器的電壓輸出會(huì)在屏幕上顯示。用戶可以選擇以下其一功能：顯示所有的雜散分量（像由AC頻率干擾或鑒相頻率引起的雜散）或者是消除所有的或特定指明的干擾分量。同時(shí)，F(xiàn)SUP也可以顯示完整的參數(shù)（像殘余調(diào)頻/調(diào)相或者是RMS抖動(dòng)等）。計(jì)算范圍包括整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)，而綜合限制可以由用戶來(lái)設(shè)置。

為了保證能準(zhǔn)確測(cè)量振蕩器的相位噪聲，內(nèi)部參考源的相位噪聲相對(duì)于被測(cè)件來(lái)說(shuō)必須要小到可以忽略的程度。FSUP內(nèi)部參考源提供極好的相位噪聲特性以滿足測(cè)試需求。輸出頻率為640MHz，偏離載波10kHz時(shí)相位噪聲為-136dBc/Hz，偏離載波10MHz時(shí)為-165dBc/Hz。

利用互相關(guān)技術(shù)降低相位噪聲

安裝FSUP－B60選件后，信號(hào)源分析儀就配備了兩路平衡接收通道。這種對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)可以對(duì)兩路通道進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，通過(guò)這樣的運(yùn)算可以消除兩路參考源的非相關(guān)固有噪聲?；旌系姆至靠梢酝ㄟ^(guò)平均來(lái)消除，最終剩下的只有被測(cè)件的固有噪聲，這使靈敏度不再局限于內(nèi)部參考源的固有相位噪聲。測(cè)量的改善程度主要決定于平均的次數(shù)，而最大可以改善達(dá)20dB。

圖3 互相關(guān)技術(shù)提高相位測(cè)量的靈敏度的原理

頂級(jí)的頻譜分析儀功能

信號(hào)源分析儀FSUP整合了一臺(tái)50GHz高性能頻譜分析儀。用戶可利用頻譜儀直接測(cè)量相位噪聲，這種測(cè)試方法的靈敏度決定于頻譜邊帶的功率譜密度。缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的：需要更長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間、靈敏度較低、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍較?。辉陬l譜儀模式下無(wú)法應(yīng)用互相關(guān)技術(shù)，也不能區(qū)分幅度噪聲和相位噪聲，雜散的計(jì)算或消除也更為復(fù)雜。然而，其優(yōu)點(diǎn)也很明顯，可以獲得很大的測(cè)量頻率偏移。因此，頻譜分析儀在測(cè)量相位噪聲中是一個(gè)必不可少的儀器。當(dāng)測(cè)量諧波或干擾信號(hào)時(shí)，該儀器提供超越頻譜儀基本功能的能力，如測(cè)量雜散信號(hào)。它可在各段的掃描范圍內(nèi)設(shè)置不同的測(cè)量參數(shù)，自動(dòng)搜索干擾和雜散信號(hào)，可計(jì)算高達(dá)100000的雜散測(cè)量點(diǎn)數(shù)，測(cè)量結(jié)果以一個(gè)列表的形式顯示。

圖4 對(duì)帶有輸出帶濾波器的振蕩器的測(cè)量說(shuō)明通過(guò)互相關(guān)技術(shù)對(duì)靈敏度的改善

在信號(hào)源特性測(cè)量中鄰信道功率同樣是一重要指標(biāo)。FSUP具有快速測(cè)量鄰信道功率的功能。用戶可以直接從預(yù)設(shè)置中選擇測(cè)量參數(shù)，也可以獨(dú)立設(shè)置信道帶寬和信道間距。FSUP的標(biāo)準(zhǔn)配置中同樣提供了很大的動(dòng)態(tài)范圍。該儀器像FM/PM/AM解調(diào)器一樣可以測(cè)量振蕩器信號(hào)的時(shí)間特性，具有對(duì)瞬態(tài)特性進(jìn)行寬帶分析和對(duì)高頻切換引起的影響進(jìn)行測(cè)試的功能。

振蕩器的完整特性測(cè)量

為了記錄振蕩器的各種特性，同時(shí)利用鎖相環(huán)測(cè)試方法測(cè)量相位噪聲，用戶必須準(zhǔn)確設(shè)置壓控振蕩器的工作電壓和調(diào)諧電壓。為了滿足這樣的需要， FSUP提供了兩組獨(dú)立的低噪聲直流電輸出端口。工作電壓和調(diào)諧電壓可以通過(guò)簡(jiǎn)易的菜單進(jìn)行設(shè)置。為了滿足特殊的應(yīng)用， FSUP同時(shí)提供負(fù)電壓的輸出。為了測(cè)量壓控振蕩器的特性，需要進(jìn)行以下這些典型測(cè)量：在固定的工作電壓下，改變調(diào)諧電壓（調(diào)諧特性），或者在固定調(diào)諧電壓，而改變工作電壓（直流特性），也可以在工作電壓和調(diào)諧電壓同時(shí)改變下測(cè)量。另外，這些參數(shù)的測(cè)量不僅可以在基波下測(cè)量，同時(shí)可以在諧波下測(cè)量。對(duì)于這些測(cè)量，用戶可以通過(guò)設(shè)定不同的測(cè)量點(diǎn)數(shù)來(lái)達(dá)到測(cè)量所需的分辨率。

結(jié)語(yǔ)

FSUP結(jié)合了相噪測(cè)試儀，瞬態(tài)測(cè)試儀和頻譜分析儀的功能，是一臺(tái)適合在研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用的理想儀器。這臺(tái)儀表可以使用戶減少在信號(hào)源分析儀的投入，而測(cè)試更加簡(jiǎn)易、功能更多。所有的功能可以通過(guò)LAN或GPIB總線作遠(yuǎn)程控制，因此該儀表能夠很容易集成到生產(chǎn)線上。

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