雷達(dá)脈沖調(diào)制信號(hào)的絕對(duì)相位噪聲和加性相位噪聲測(cè)量解決方案

前言：

相位噪聲是雷達(dá)系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。大多數(shù)雷達(dá)采用脈沖調(diào)制，目標(biāo)的速度是通過檢測(cè)雷達(dá)反射信號(hào)相對(duì)于發(fā)射器頻率的多普勒頻移得出的。發(fā)射器自身的相位噪聲會(huì)強(qiáng)烈影響該測(cè)量的分辨率和精度，限制了雷達(dá)的檢測(cè)閾值和精度。因此，脈沖信號(hào)的相位噪聲已成為越來越重要的測(cè)量?jī)?nèi)容。

脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中相位噪聲的貢獻(xiàn)可以是累加的，也可以是絕對(duì)的，可以使用不同的方法來測(cè)量它們，但每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。鎖相環(huán)（PLL）方法為加法和絕對(duì)測(cè)量提供了解決方案，非常適合表征相位噪聲性能，因?yàn)樗哂懈邉?dòng)態(tài)范圍和低本底噪聲，并且可重復(fù)且可靠。AnaPico的APPH系列信號(hào)源分析儀具有一個(gè)高性能指標(biāo)的本振（LO）輸出選項(xiàng)，是表征脈沖信號(hào)相位噪聲的重要工具。本文首先討論其在絕對(duì)相位噪聲測(cè)量中的應(yīng)用，然后討論放大器等非振蕩元件的加性相位噪聲測(cè)量。

絕對(duì)相位噪聲

脈沖信號(hào)的噪聲由來自基準(zhǔn)參考源的噪聲和脈沖調(diào)制引入的噪聲組成。圖1顯示了具有脈沖周期T和脈沖寬度τ的理想脈沖信號(hào)的頻譜。在高于脈沖重復(fù)頻率（PRF）之上的部分，脈沖調(diào)制可完全屏蔽相位噪聲；因此，通常我們可以忽略高于PRF的頻率偏移的數(shù)據(jù)。在PRF附近，信號(hào)的相位噪聲會(huì)通過脈沖調(diào)制而增加：載波噪聲與第一個(gè)頻譜圖像的總和，該圖像向右偏移1/ T。相位噪聲的增加取決于脈沖調(diào)制的占空比τ/T，并且是確定性的。

圖 1：脈沖調(diào)制信號(hào)的頻譜，脈沖寬度為 τ，脈沖周期為 T

PLL測(cè)量方法原理是將可調(diào)諧LO鎖相至被測(cè)器件（DUT）的信號(hào)。而在脈沖條件下，保持鎖相可能很棘手。在 DUT信號(hào)關(guān)斷時(shí)抑制儀器噪聲也具有挑戰(zhàn)性，尤其是在測(cè)量非常窄的脈沖或非常低的占空比時(shí)。低PRF或窄脈沖可能導(dǎo)致相位正交的相位漂移，如果處理不當(dāng)，甚至?xí)?dǎo)致鎖相失鎖。在AnaPico的APPH中，復(fù)雜的脈沖檢測(cè)電路能夠可靠地保持鎖相，并在脈沖關(guān)斷時(shí)主動(dòng)抑制儀器背景噪聲。因此，APPH能夠在極端脈沖參數(shù)下可靠地測(cè)量脈沖（見圖2）。由于鎖定過程只能在“開啟”期間激活，并且必須在“關(guān)斷”期間等待，因此極窄的脈沖寬度、低占空比和非常高或非常低的脈沖速率可能難以測(cè)量。盡管存在這些挑戰(zhàn)，APPH仍可測(cè)量脈寬窄至40 ns的脈沖和500 Hz至5 MHz的PRF，占空比可低至0.1%。

圖 2：不同調(diào)制的3.8 GHz脈沖信號(hào)相噪（脈沖寬度為≥40 ns，PRF ≤5 MHz）

加性相位噪聲

雷達(dá)系統(tǒng)中的相位噪聲來自各種來源，而不僅僅是頻率合成器：最需要值得注意的是脈沖調(diào)制器和功率放大器。因此，在分析脈沖雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，評(píng)估經(jīng)過放大器級(jí)而附加的相位噪聲是有益的。為了測(cè)量附加噪聲，放大器必須在實(shí)際條件下使用低噪聲、脈沖調(diào)制信號(hào)源工作。

APPH信號(hào)源分析儀的LO輸出就是用于此目的。圖3顯示了放大器的雙通道、交叉相關(guān)相加相位噪聲測(cè)量的設(shè)置。DUT的脈沖參考信號(hào)直接在APPH中合成，并分成三條路徑，并饋入信號(hào)源分析儀的兩個(gè)REF輸入和RF輸入。除三路功分器外，只需兩個(gè)機(jī)械移相器即可將參考路徑調(diào)諧為相位正交，從而消除參考信號(hào)的相位噪聲，并測(cè)量DUT的殘余噪聲?？珙l譜測(cè)量可抑制儀器噪聲，并顯著提高儀器靈敏度。APPH軟件會(huì)指導(dǎo)用戶完成兩個(gè)校準(zhǔn)步驟，使測(cè)量幾乎像絕對(duì)相位噪聲測(cè)量一樣簡(jiǎn)單。

圖 3：使用APPH的內(nèi)部LO輸出進(jìn)行脈沖加性相位噪聲測(cè)量：測(cè)量原理框圖（a）和儀器實(shí)際設(shè)置的照片（b）

總結(jié)

AnaPico的APPH信號(hào)源分析儀能夠輕松可靠地測(cè)量脈沖信號(hào)的絕對(duì)相位噪聲和加性相位噪聲，最高可達(dá)65 GHz。該儀器提供直觀可用的標(biāo)準(zhǔn)脈沖（選件：PULSE）或增強(qiáng)型極窄脈沖（選件 NPS）測(cè)量。LO前端輸出選項(xiàng)提供內(nèi)部低噪聲脈沖信號(hào)源的輸出，而無需外部源來測(cè)量相加相位噪聲，并使測(cè)量設(shè)置更快，更直觀，更可靠。

審核編輯：湯梓紅