專利名稱：一種基于鑒相法測(cè)量相位噪聲的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到利用鑒相法進(jìn)行相位噪聲測(cè)量時(shí)用于提取相位噪聲、改善測(cè)量系統(tǒng)噪聲底部和測(cè)量精度的一種數(shù)據(jù)處理算法，確切地講是一種基于鑒相法測(cè)量相位噪聲的方法。
背景技術(shù)：
相位噪聲是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵性技術(shù)問題之一，它是衡量信號(hào)短期頻率穩(wěn)定度的重要指標(biāo)。在通信系統(tǒng)中，隨著通信帶寬的不斷提高和信道越來越密集，對(duì)通信系統(tǒng)中關(guān)鍵信號(hào)的相位噪聲要求越來越高；在雷達(dá)技術(shù)中，系統(tǒng)關(guān)鍵信號(hào)的相位噪聲直接影響著雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)探測(cè)的分辨能力。在儀器技術(shù)中，相位噪聲指標(biāo)是衡量許多儀器性能的重要指標(biāo)，降低相位噪聲是提高儀器設(shè)備性能的重要內(nèi)容，低相位噪聲源是諸多儀器中的核心技術(shù)之一。因此相位噪聲測(cè)量越來越成為電子測(cè)量領(lǐng)域中的關(guān)鍵問題，受到越來越多地關(guān)注。
針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域和不同的測(cè)量要求，相位噪聲測(cè)量主要有以下幾種方法
I.頻譜儀測(cè)量法直接頻譜儀法是簡單易行的一種相位噪聲測(cè)量方法，它將待測(cè)頻率源的輸出信號(hào)直接輸入到頻譜儀的輸入端，調(diào)諧頻譜分析儀的載波頻率，通過測(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻譜而得到被測(cè)信號(hào)的相位噪聲。頻譜儀測(cè)量法在應(yīng)用中受到以下因素的制約 測(cè)量結(jié)果受頻譜儀本振源相位噪聲的制約、不能區(qū)分相位噪聲和幅度噪聲、不易測(cè)量近載波處的相位噪聲。
2.鑒頻測(cè)量法鑒頻法又稱無參考源法，它將待測(cè)源的頻率起伏A f由某種微波鑒頻器變換為電壓起伏△ V，再用基帶頻譜分析儀測(cè)量該電壓的起伏量，從而實(shí)現(xiàn)相位噪聲測(cè)量。常用的鑒頻器有延遲線/混頻式鑒頻器、RF橋/延遲線鑒頻器、腔體鑒頻器、雙延遲線鑒頻器等。其工作原理如下被測(cè)源信號(hào)經(jīng)功分器分兩路，一路經(jīng)寬帶延遲線時(shí)延Td，將頻率起伏變?yōu)橄辔黄鸱麬 Cj5 = 2 JiftlTd,另一路信號(hào)經(jīng)帶寬可變移相器，調(diào)節(jié)移相器使兩輸入信號(hào)正交，送入鑒相器進(jìn)行正交鑒相，由鑒相器將相位噪聲轉(zhuǎn)換為噪聲電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行FFT和功率譜估計(jì)等信號(hào)處理，測(cè)得被測(cè)信號(hào)的相位噪聲功率譜S41 (f) 和單邊帶相位噪聲L(f)。鑒頻測(cè)量法的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要參考信號(hào)源、對(duì)相位波動(dòng)較大的被測(cè)源具有很好的測(cè)量效果；該方法的局限性在于針對(duì)不同頻率的被測(cè)源需要對(duì)鑒頻器進(jìn)行調(diào)整、不易測(cè)量近載波處的相位噪聲。
3.鑒相法也稱為雙源測(cè)量方法或鎖相環(huán)測(cè)量方法。這種方法將被測(cè)信號(hào)與一個(gè)同頻率且正交的高穩(wěn)定度的參考源信號(hào)作為鑒相器的兩個(gè)輸入信號(hào)，鑒相器輸出為與被測(cè)信號(hào)的相位起伏成比例的低頻噪聲電壓，經(jīng)過低通濾波器和低噪聲放大器，加到頻譜儀上測(cè)出不同fm處的噪聲電平，計(jì)算得出被測(cè)信號(hào)源的S41 (f)，或?qū)⒔?jīng)過低通濾波和低噪聲放大后的鑒相器輸出信號(hào)采樣后變換到數(shù)字域，利用數(shù)字信號(hào)處理的方法求得被測(cè)信號(hào)的單邊帶功率譜。鑒相法的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量靈敏度高、頻率分辨率高、輸出頻率范圍寬、對(duì)幅度噪聲具有較好的抑制能力；該方法的局限性在于測(cè)量結(jié)果受到參考源與被測(cè)源頻率差和參考源的相位噪聲的影響。
上述三種方法中鑒相法因?yàn)槠淞己玫臏y(cè)試性能具有很廣泛的應(yīng)用，許多相位噪聲測(cè)量儀器都是基于鑒相法實(shí)現(xiàn)的。但是，鑒相法的測(cè)量效果受到兩個(gè)方面的制約一是鑒相法中要求參考源必須與被測(cè)源頻率相等，實(shí)際電路中通過鑒相器輸出對(duì)參考源的反饋構(gòu)成鎖相環(huán)回路來調(diào)整參考源以實(shí)現(xiàn)其與被測(cè)源同頻，但鎖相環(huán)在實(shí)際測(cè)量中并不能隨時(shí)保證其絕對(duì)同頻，參考源與被測(cè)源之間的頻率差會(huì)對(duì)相位噪聲的測(cè)量結(jié)果帶來影響；二是參考源的相位噪聲會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來影響，一般要求參考源的相位噪聲至少低于被測(cè)源IOdB 以上。這兩方面的制約在很大程度上影響了儀器的技術(shù)指標(biāo)，增加了整個(gè)儀器的開發(fā)難度和成本。發(fā)明內(nèi)容
為解決鑒相法測(cè)量相位噪聲中參考源與被測(cè)源頻率差和參考源自身頻率波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響問題，本發(fā)明提供一種基于鑒相法測(cè)量相位噪聲的方法，通過對(duì)低通濾波和低噪聲放大后的鑒相器輸出信號(hào)進(jìn)行處理，消除參考源和被測(cè)源頻率差對(duì)相位噪聲測(cè)量結(jié)果的影響，以降低測(cè)試系統(tǒng)的噪聲底部，提高測(cè)量的精度和靈敏度。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于鑒相法測(cè)量相位噪聲的方法，其方法是至少包括建立相位噪聲數(shù)學(xué)模型；
依據(jù)數(shù)學(xué)模型測(cè)量相位噪聲。
所述的建立相位噪聲數(shù)學(xué)模型包括
給出鑒相器輸入的被測(cè)源信號(hào)如式(I)，
Vi (t) = Ai sin[ CO^ + Oi + Cpi (,)](I)
給出參考源信號(hào)如式⑵
Vr(t) = Ar sin[G>rt + dr+^ + <pr(7)] = Ar cos[cort + Or + ^r(0](2)
其中Vi(t)是被測(cè)源信號(hào)，e i是被測(cè)信號(hào)的初始相位，只奶被測(cè)源信號(hào)的相位； Vr(t)是參考源信號(hào)，A+f是參考源信號(hào)的初始相位，是參考源信號(hào)的相位噪聲；
則鑒相器的輸出信號(hào)為
Vd(O=Vfi)-Kit)
=Ai Ar sin[(5；/ + Oi + Cpi(0]cos+ Or +(pr(0](3)
= ^4-4( sin[^, +a>r)t + O1 +dr+(p, (t) + (pr (0]+sin[( , -a>r)t + O1 -dr+(pt (t) - cpr (0]}
鑒相器輸出通過低通濾波器和低噪聲放大器后為y(t)
XO =Asm[^L>j -0r),+q -Or +^(0-^r(0]=^4sin[A(rf+^0 +(pit)](4)
其中A是信號(hào)y (t)的幅度，A 是頻率差，9 u是兩信號(hào)源的初始相位差。(P(t)=只(0-A(0是被測(cè)源相對(duì)于參考源的相位噪聲；
設(shè)定測(cè)量信號(hào)直流分量為C，因此⑷式可以寫成如下形式
y{t) = A sin(A + + tPit))+ ^(5)
將式(5)展開為下式
y{t) = A sin(A + 6*0) cos(滬(V)) + A cos(Acot + O0) sin(滬(V)) + C(6)
在理想情況下由于Aco=O, 0。= 0,^(0 I ,cos(滬⑴)* I ,sin(滬⑴)* cp(t)，貝丨J (6)式可寫為
y{t) = A sin(^>( )) + C^A cp{t) + C(7)
由(7)可知，測(cè)量中可以用測(cè)量數(shù)據(jù)y(t)的功率譜密度代替相位噪聲信號(hào)抑)的功率譜密度計(jì)算單邊相位噪聲；
由于在實(shí)際測(cè)量中A O ^ 0, 0 0 ^ 0, ^(0 I ,cos(^(0) * I ,sin(^(0) * cp{t)，則(6)式可寫為
y{t) ^ Asin(A如 + 6^) + Acos(A如 + O0)cp{t) + C(8)由(8)式可得包含頻差的信號(hào)相位噪聲提取模型
y^-A'&mi^cat+O^-C(9)Jcos^W+沒0)
所述的依據(jù)數(shù)學(xué)模型測(cè)量相位噪聲步驟是
101步，對(duì)經(jīng)過低通濾波和低噪聲放大后的鑒相器輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；
102步，估計(jì)信號(hào)的頻率范圍，記為[Oil, ih]，此時(shí)i = 0，信號(hào)頻率的初始估計(jì)值，記為，初始頻率估計(jì)最大誤差5 Ocih-Ocil;
103 步，取 i = i+\,o)n = -Sco0 IM1^1 ,a>ih = +Sco0 IM1^1 ；
104步，在頻率范圍[GJil, coj內(nèi)等間隔選取2M+1個(gè)頻率值，分別記為Acoij j =0，1，A，2M，按照以下方法計(jì)算2M+1個(gè)頻率值的對(duì)應(yīng)的幅值A(chǔ)u、初相位0 Jj和直流分量 Cij以及這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的均方誤差Eij = 0,1, A，2M ;
設(shè)
D11cos(A /0)Sin(Acy0)r"別"Cos(Afi^1)Sin(Acy1)I\r少⑴MMMI =MCos(AfflyV1)sm(Ao)l}tN-D I_少(#-1)_(10)
解(11)式的矩陣方程解得Pij^pCij，代入(12)、(13)式可求得各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值A(chǔ)u、初相位0 Jj和直流分量Cijt5
(11)
權(quán)利要求
1.一種基于鑒相法測(cè)量相位噪聲的方法，其方法是至少包括建立相位噪聲數(shù)學(xué)模型；依據(jù)數(shù)學(xué)模型測(cè)量相位噪聲。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于鑒相法測(cè)量相位噪聲的方法，其方法是所述的建立相位噪聲數(shù)學(xué)模型包括給出鑒相器輸入的被測(cè)源信號(hào)如式(1)，
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于鑒相法測(cè)量相位噪聲的方法，其方法是所述的依據(jù)數(shù)學(xué)模型測(cè)量相位噪聲步驟是101步，對(duì)經(jīng)過低通濾波和低噪聲放大后的鑒相器輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；102步，估計(jì)信號(hào)的頻率范圍，記為[Coil, ih]，此時(shí)i = 0，信號(hào)頻率的初始估計(jì)值，記為AfSci，初始頻率估計(jì)最大誤差5 Co0 = COcih-COtll ;\103 步，取
全文摘要
本發(fā)明涉及電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到利用鑒相法進(jìn)行相位噪聲測(cè)量時(shí)用于提取相位噪聲、改善測(cè)量系統(tǒng)噪聲底部和測(cè)量精度的一種數(shù)據(jù)處理算法，確切地講是一種基于鑒相法測(cè)量相位噪聲的方法，其方法是，至少包括建立相位噪聲數(shù)學(xué)模型；依據(jù)數(shù)學(xué)模型測(cè)量相位噪聲。它通過對(duì)低通濾波和低噪聲放大后的鑒相器輸出信號(hào)進(jìn)行處理，消除參考源和被測(cè)源頻率差對(duì)相位噪聲測(cè)量結(jié)果的影響，以降低測(cè)試系統(tǒng)的噪聲底部，提高測(cè)量的精度和靈敏度。
文檔編號(hào)G01R29/26GK102539944SQ201210000229
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者王家禮, 詹勁松, 陳曉龍 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)