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

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

1. 引言

信號的短期頻率穩(wěn)定度是衡量信號質(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)探測目標(biāo)時，發(fā)射的基本都是脈沖調(diào)制信號，其相位噪聲是決定雷達(dá)探測距離、目標(biāo)分辨率、抗干擾度等性能的關(guān)鍵指標(biāo)，脈沖調(diào)制信號相位噪聲測量對很多系統(tǒng)來說具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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

2. 脈沖調(diào)制信號的頻譜特性

脈沖調(diào)制信號就是脈沖信號對連續(xù)波的幅度調(diào)制，在時域可以看作是連續(xù)波信號與脈沖信號的乘積，在頻域可以看作是連續(xù)波信號頻譜和調(diào)制波信號頻譜的卷積，如圖1所示。

圖1 脈沖調(diào)制信號頻譜特性

圖中a是連續(xù)波（載波）信號的波形，b是脈沖（調(diào)制波）信號的波形，c是連續(xù)波信號的頻譜，d是脈沖信號的頻譜，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。

載波信號經(jīng)過脈沖調(diào)制，在時域上出現(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，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增加，如圖2所示。

圖2 脈沖調(diào)制信號相位噪聲特性

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，譜線寬度與PRF成反比，對于固定的脈寬來說，載波頻率處的噪聲增加量與 PRF 成反比[2]。

3. 脈沖調(diào)制信號相位噪聲測試原理及特點(diǎn)

3.1 PN9000 相位噪聲測試系統(tǒng)簡介

PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)是模塊化的測量系統(tǒng)，相關(guān)測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)換板和測量軟件組成。

我單位的PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)配置有9個模塊，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，提示測試進(jìn)度、錯誤信息、遠(yuǎn)端控制等。

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

Microwave Double模塊對參考信號倍頻，擴(kuò)展測試系統(tǒng)的測量范圍。

Phase Detector模塊負(fù)責(zé)對參考信號和被測信號進(jìn)行正交檢相，解調(diào)被測信號的相位噪聲，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在測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，同時該模塊的“Auxiliary Monitor Output”接口可以監(jiān)測噪聲信號，該接口監(jiān)測的信號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給數(shù)字轉(zhuǎn)換板和測量軟件進(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)制信號相位噪聲測試的關(guān)鍵模塊。

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

PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)脈沖調(diào)制信號相位噪聲測試原理如圖3所示。脈沖調(diào)制信號可以用連續(xù)波信號源和脈沖產(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源產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號，比如用安捷倫公司的E8257D直接產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號。被測脈沖調(diào)制信號和連續(xù)波參考信號實(shí)現(xiàn)正交檢相，檢出的噪聲電壓信號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)波相位噪聲測試，當(dāng)被測信號是脈沖調(diào)制信號時，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，自動計(jì)算所有參數(shù)，比如脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度，自動構(gòu)建PRF數(shù)字濾波器；解調(diào)信號并顯示相位噪聲和幅度噪聲，最大偏置頻率范圍和測量校準(zhǔn)自動進(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)來測量相位噪聲較好的信號源，補(bǔ)償了由于脈沖調(diào)制帶來信號靈敏度的降低。式(1)描述了期望達(dá)到的動態(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)制信號與連續(xù)波信號相位噪聲的區(qū)別

1）功率損耗

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

2）周期性雜散

脈沖調(diào)制信號的功率在載波信號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，通過A/D轉(zhuǎn)換輸出給數(shù)字信號處理系統(tǒng)，通常LNA的輸入信號非常小。為了解決這一問題，PN9000相位噪聲測試系統(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，在測試中其最優(yōu)化的截止頻率是1/2PRF，因?yàn)閷τ诿}沖信號來說只有在這個頻率范圍內(nèi)的信號才不存在頻率混疊現(xiàn)象，測量得到的是主譜線fc經(jīng)脈沖調(diào)制后的相位噪聲信號。FSWP相對于傳統(tǒng)鑒相器法測量脈沖相位噪聲的一個主要優(yōu)勢是采用數(shù)字濾波模塊，濾除了頻率大于PRF/2的成分。自動構(gòu)建合適的濾波器來大大簡化測量過程。

3）相位噪聲信號的直流偏置

當(dāng)參考源是連續(xù)波信號而被測信號是脈沖調(diào)制信號時，相位檢波器輸出的DC偏置電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于差拍信號的電壓，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)制信號相位噪聲的測試過程，不需要脈沖觸發(fā)器控制參考源。

4. 測試結(jié)果分析

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

圖5 PN9000測試載波頻率為10GHz， PRF 10kHz，占空50%信號結(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）用相位噪聲測試系統(tǒng)只能測試頻偏小于1/2PRF的脈沖調(diào)制信號的相位噪聲，頻偏大于1/2PRF的測試數(shù)據(jù)無意義。

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

5. 結(jié)束語

本文簡單介紹了脈沖調(diào)制信號的頻譜特性，然后以PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)和Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀為例，介紹了脈沖調(diào)制信號相位噪聲測試原理，并給出了實(shí)際測試結(jié)果，對測試結(jié)果進(jìn)行了分析，實(shí)際測試表明，Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀和PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)測試結(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試，且測試時間明顯要優(yōu)于傳統(tǒng)的PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)。