關(guān)于脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲的測(cè)試方法的分析和應(yīng)用

本文簡單介紹了脈沖調(diào)制信號(hào)的頻譜特性，然后以PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)和R&S公司的FSWP相位噪聲分析儀為例，介紹了脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲測(cè)試原理，測(cè)試中解決的問題，并給出了實(shí)際測(cè)試結(jié)果，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，希望對(duì)相關(guān)人員有一定的幫助。

1. 引言

信號(hào)的短期頻率穩(wěn)定度是衡量信號(hào)質(zhì)量的重要因素，它直接影響著系統(tǒng)的性能．相位噪聲是描述信號(hào)短期頻率穩(wěn)定度的重要指標(biāo)[1]，特別是在雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域，相位噪聲成為提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。在雷達(dá)領(lǐng)域，雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)時(shí)，發(fā)射的基本都是脈沖調(diào)制信號(hào)，其相位噪聲是決定雷達(dá)探測(cè)距離、目標(biāo)分辨率、抗干擾度等性能的關(guān)鍵指標(biāo)，脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲測(cè)量對(duì)很多系統(tǒng)來說具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

脈沖調(diào)制信號(hào)是由連續(xù)波信號(hào)經(jīng)脈沖調(diào)制后得到的，其相位噪聲特性與其連續(xù)波信號(hào)具有一定的相關(guān)性，但也有不同。通常的脈沖調(diào)制信號(hào)中有用信息的時(shí)間短，無用信息的時(shí)間長，使載頻信號(hào)的頻譜混合重疊，相位噪聲增加，給測(cè)量帶來困難，其測(cè)試原理更復(fù)雜，過程也更繁瑣。

2. 脈沖調(diào)制信號(hào)的頻譜特性

脈沖調(diào)制信號(hào)就是脈沖信號(hào)對(duì)連續(xù)波的幅度調(diào)制，在時(shí)域可以看作是連續(xù)波信號(hào)與脈沖信號(hào)的乘積，在頻域可以看作是連續(xù)波信號(hào)頻譜和調(diào)制波信號(hào)頻譜的卷積，如圖1所示。

圖1 脈沖調(diào)制信號(hào)頻譜特性

圖中a是連續(xù)波（載波）信號(hào)的波形，b是脈沖（調(diào)制波）信號(hào)的波形，c是連續(xù)波信號(hào)的頻譜，d是脈沖信號(hào)的頻譜，e是連續(xù)波和脈沖乘積的波形，f是連續(xù)波和脈沖卷積的頻譜。

載波信號(hào)經(jīng)過脈沖調(diào)制，在時(shí)域上出現(xiàn)不連續(xù)，在頻域上以sinc函數(shù)的包絡(luò)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展。當(dāng)載波存在噪聲時(shí)，調(diào)制使得載波噪聲混雜到脈沖調(diào)制頻譜的每一根脈沖重復(fù)頻率(PRF)譜線中，同樣在頻域上以sinc函數(shù)的包絡(luò)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，受它們和的影響，載波頻率處，即中心譜線的合成噪聲將會(huì)增加，如圖2所示。

圖2 脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲特性

依據(jù)取樣定理，偏移載波頻率大于PRF/2頻偏的相位噪聲信息將被添加到中心譜線PRF/2頻偏范圍內(nèi)。

當(dāng)脈寬固定時(shí)，譜線寬度與PRF成反比，對(duì)于固定的脈寬來說，載波頻率處的噪聲增加量與 PRF 成反比[2]。

3. 脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲測(cè)試原理及特點(diǎn)

3.1 PN9000 相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)簡介

PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)是模塊化的測(cè)量系統(tǒng)，相關(guān)測(cè)量部件都以模塊形式插在主機(jī)箱內(nèi)。根據(jù)參考源、頻率范圍和信號(hào)分析的需要，系統(tǒng)可進(jìn)行不同的配置。其基本系統(tǒng)由機(jī)箱、配置模塊、電腦、IEEE 接口、電腦主機(jī)箱內(nèi)的數(shù)字轉(zhuǎn)換板和測(cè)量軟件組成。

我單位的PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)配置有9個(gè)模塊，分別是Status 模塊（PN9060）、RF Synthesizer模塊（PN9100）、Microwave Double模塊（PN9151、PN9152）、Phase Detector模塊（PN9341）、Lock Control模塊（PN9451）、Low Noise Amplifier模塊（PN9421）、Noise Output 模塊（PN9490）和Video Filter模塊（PN9813）。

Status模塊提供系統(tǒng)工作所需的電源，提示測(cè)試進(jìn)度、錯(cuò)誤信息、遠(yuǎn)端控制等。

RF Synthesizer模塊提供測(cè)試所需要的低噪聲參考信號(hào)，該信號(hào)源具有壓控功能。

Microwave Double模塊對(duì)參考信號(hào)倍頻，擴(kuò)展測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量范圍。

Phase Detector模塊負(fù)責(zé)對(duì)參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)進(jìn)行正交檢相，解調(diào)被測(cè)信號(hào)的相位噪聲，將相位噪聲轉(zhuǎn)換為電壓噪聲。

Lock Control模塊實(shí)現(xiàn)鎖相放大，通過直流參考電壓控制并保持輸出信號(hào)在測(cè)試過程中與參考源相位正交。

Low Noise Amplifier 模塊用來放大檢出的噪聲信號(hào)，同時(shí)該模塊的“Auxiliary Monitor Output”接口可以監(jiān)測(cè)噪聲信號(hào)，該接口監(jiān)測(cè)的信號(hào)可通過頻譜分析儀或示波器進(jìn)行進(jìn)一步分析。

Noise Output 模塊輸出噪聲電壓信號(hào)給數(shù)字轉(zhuǎn)換板和測(cè)量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

Video Filter模塊提供截止頻率為1/2PRF的濾波器，是進(jìn)行脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲測(cè)試的關(guān)鍵模塊。

圖3 PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲測(cè)試原理

PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲測(cè)試原理如圖3所示。脈沖調(diào)制信號(hào)可以用連續(xù)波信號(hào)源和脈沖產(chǎn)生調(diào)制器模塊（PN9815）組合產(chǎn)生，也可以直接用外部的信號(hào)源產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號(hào)，比如用安捷倫公司的E8257D直接產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號(hào)。被測(cè)脈沖調(diào)制信號(hào)和連續(xù)波參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)正交檢相，檢出的噪聲電壓信號(hào)通過視頻濾波器傳輸給低噪聲放大器，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、FFT等數(shù)字處理分析，最后進(jìn)行顯示[3]。

不同于連續(xù)波相位噪聲測(cè)試，當(dāng)被測(cè)信號(hào)是脈沖調(diào)制信號(hào)時(shí)，存在功率損耗、周期性雜散和直流偏置的問題，PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)在硬件上加入了視頻濾波器，在軟件上也有相應(yīng)的改變，很好的解決了這些問題。

3.2 Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀簡介

附帶R&S FSWP-K4選項(xiàng)的R&S FSWP能夠測(cè)量不同脈寬和不同脈沖重復(fù)頻率下的相位噪聲，由于采用了更為先進(jìn)的數(shù)字相位解調(diào)法，因此它能夠記錄信號(hào)，自動(dòng)計(jì)算所有參數(shù)，比如脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度，自動(dòng)構(gòu)建PRF數(shù)字濾波器；解調(diào)信號(hào)并顯示相位噪聲和幅度噪聲，最大偏置頻率范圍和測(cè)量校準(zhǔn)自動(dòng)進(jìn)行，可以通過定義脈沖門參數(shù)來避免脈沖沿的瞬態(tài)特性給測(cè)試結(jié)果帶來影響并從而提高靈敏度[4]。同樣還可以使用互相關(guān)技術(shù)來測(cè)量相位噪聲較好的信號(hào)源，補(bǔ)償了由于脈沖調(diào)制帶來信號(hào)靈敏度的降低。式(1)描述了期望達(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍的提高量：

ΔL=5log(n) (1)

式中：ΔL為通過互相關(guān)技術(shù)相位噪聲靈敏度的提高量(單位 dB)，n為互相關(guān)的次數(shù)。

3.3 脈沖調(diào)制信號(hào)與連續(xù)波信號(hào)相位噪聲的區(qū)別

1）功率損耗

脈沖調(diào)制信號(hào)的功率，相比于連續(xù)波信號(hào)的功率，有一定的功率損耗，可以用下式表示：

PLOSS=20lg(τ/T) (2)

例如，當(dāng)占空比為10%時(shí)，脈沖調(diào)制信號(hào)的功率比連續(xù)波信號(hào)的功率下降20dB，當(dāng)占空比為1%時(shí)，脈沖調(diào)制信號(hào)的功率比連續(xù)波信號(hào)的功率下降40dB。相應(yīng)地檢測(cè)到的相位噪聲信號(hào)也下降了相同比例的大小。

2）周期性雜散

脈沖調(diào)制信號(hào)的功率在載波信號(hào)的兩邊以基波和諧波的形式分散開，在PRF的整數(shù)倍處形成周期性雜散，這些雜散信號(hào)非常強(qiáng)，足以使低噪聲放大器（LNA）飽和。LNA用來提取相位噪聲信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換輸出給數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，通常LNA的輸入信號(hào)非常小。為了解決這一問題，PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)在相位檢波器的輸出和LNA的輸入之間，插入了PRF濾波器。PRF濾波器也稱為視頻濾波器，在測(cè)試中其最優(yōu)化的截止頻率是1/2PRF，因?yàn)閷?duì)于脈沖信號(hào)來說只有在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的信號(hào)才不存在頻率混疊現(xiàn)象，測(cè)量得到的是主譜線fc經(jīng)脈沖調(diào)制后的相位噪聲信號(hào)。FSWP相對(duì)于傳統(tǒng)鑒相器法測(cè)量脈沖相位噪聲的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是采用數(shù)字濾波模塊，濾除了頻率大于PRF/2的成分。自動(dòng)構(gòu)建合適的濾波器來大大簡化測(cè)量過程。

3）相位噪聲信號(hào)的直流偏置

當(dāng)參考源是連續(xù)波信號(hào)而被測(cè)信號(hào)是脈沖調(diào)制信號(hào)時(shí)，相位檢波器輸出的DC偏置電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于差拍信號(hào)的電壓，導(dǎo)致不能校準(zhǔn)檢波器，不能實(shí)現(xiàn)鎖相控制。如圖6所示，當(dāng)脈沖關(guān)斷期間，參考源在檢相器輸出端產(chǎn)生DC偏置。

圖4脈內(nèi)相位噪聲信息與脈外無用噪聲曲線圖

使用連續(xù)波作為參考源簡化了脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲的測(cè)試過程，不需要脈沖觸發(fā)器控制參考源。

4. 測(cè)試結(jié)果分析

采用信號(hào)發(fā)生器8257C作為被測(cè)信號(hào)源，分別采用PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)和Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀，分別對(duì)載波1GHz和10GHz信號(hào)在連續(xù)波和不同占空比條件下進(jìn)行測(cè)試，所得的測(cè)試結(jié)果如表1~表4所示，單位為dBc/Hz。圖5-6分別為FSWP和PN9000測(cè)試載波頻率為10GHz， PRF 10kHz，占空比為50%的脈沖調(diào)制信號(hào)的結(jié)果。

表1 載波頻率1GHz，PRF 1kHz

表2 載波頻率10GHz，PRF 1kHz

表3 載波頻率1GHz，PRF 10kHz

表4 載波頻率10GHz，PRF 10kHz

圖5 FSWP測(cè)試載波頻率為10GHz， PRF 10kHz，占空50%信號(hào)結(jié)果

圖5 PN9000測(cè)試載波頻率為10GHz， PRF 10kHz，占空50%信號(hào)結(jié)果

通過分析可以得出以下結(jié)論：

1）脈沖調(diào)制后信號(hào)的相位噪聲有一定的惡化，占空比越小，惡化的越明顯，連續(xù)波信號(hào)相位噪聲指標(biāo)越高，惡化的越明顯。所以如需要表述脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲指標(biāo)，除了載波頻率、頻偏外，還要給出脈沖寬度、占空比等脈沖相關(guān)參數(shù)，比如載波頻率1GHz、頻偏1kHz、脈沖寬度1μs、占空比1%時(shí)的相位噪聲指標(biāo)為120dBc/Hz。

2）本底噪聲抬高的比例基本符合20 log(τ/T)的理論分析結(jié)果。

3）用相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)只能測(cè)試頻偏小于1/2PRF的脈沖調(diào)制信號(hào)的相位噪聲，頻偏大于1/2PRF的測(cè)試數(shù)據(jù)無意義。

4）Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀和PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果水平相當(dāng)。

5. 結(jié)束語

本文簡單介紹了脈沖調(diào)制信號(hào)的頻譜特性，然后以PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)和Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀為例，介紹了脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲測(cè)試原理，并給出了實(shí)際測(cè)試結(jié)果，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，實(shí)際測(cè)試表明，Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀和PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果水平相當(dāng)，Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀操作更簡潔，無需復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置，能夠一鍵完成相位噪聲測(cè)試，且測(cè)試時(shí)間明顯要優(yōu)于傳統(tǒng)的PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)。