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注意啦!專家正解附加相位噪聲測(cè)試技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2014-12-06 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】作為頻率控制器及頻率源的指標(biāo)——相位噪聲,其測(cè)試是時(shí)間頻率專業(yè)計(jì)量測(cè)試人員經(jīng)常進(jìn)行的工作。本文著重講述了相位噪聲的定義及測(cè)試過(guò)程,給出了實(shí)際的測(cè)試結(jié)果,指出了附加相位噪聲測(cè)試過(guò)程中的一些注意事項(xiàng)。

頻率源相位噪聲的定義

頻率源的輸出信號(hào),一般可表示為:

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在相位噪聲測(cè)量中,實(shí)際的測(cè)試結(jié)果量并非上述定義的譜密度,而是信號(hào)調(diào)制邊帶功率與總信號(hào)功率之比

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按照國(guó)際上早年推薦的定義和近些年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院NIST對(duì)有關(guān)特征量的規(guī)定,單邊帶相位噪聲作為頻率穩(wěn)定度的頻域表征量。

頻率控制器件附加相位噪聲的定義

頻率控制器件附加相位噪聲又稱兩端口部件噪聲或剩余噪聲。當(dāng)信號(hào)通過(guò)兩端口部件時(shí),噪聲以線性相加或相乘(調(diào)制)的形式加到信號(hào)上。兩端口部件包括放大器、分頻器、濾波器、倍頻器等。
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附加相位噪聲的測(cè)量

附加相位噪聲的測(cè)量采用相位檢波器法。

相位檢波器法是一種應(yīng)用最廣泛、靈敏度高、分析范圍寬的相位噪聲測(cè)量方法。它因用相位檢波器把信號(hào)的相位起伏變換為電壓起伏,然后用頻譜分析儀測(cè)得Sφ(f)而得名。又因此法利用了相位檢波器的兩輸入信號(hào)處于90°相差時(shí),對(duì)信號(hào)相位敏感的特性,所以又稱為正交檢相法。還因此法必須有一個(gè)參考頻率源,也稱為雙源法或有源法。這種測(cè)量方法用于測(cè)量高穩(wěn)定、低噪聲的精密頻率源,如原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、高穩(wěn)晶振、低噪聲頻率綜合器、鎖相源以及各種頻率控制器件。

相位檢波器法測(cè)試附加相位噪聲的基本測(cè)試原理是將被測(cè)信號(hào)分成兩路進(jìn)行檢相,當(dāng)兩路信號(hào)正交且電長(zhǎng)度相等或近似相等時(shí),調(diào)幅噪聲和源的噪聲被充分抑制,檢相器的輸出反映的就是被測(cè)頻率控制器件的附加相位噪聲。

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測(cè)量框圖

附加相位噪聲測(cè)量框圖如圖1所示。

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圖1附加相位噪聲測(cè)量框圖
 
測(cè)量步驟

(1)測(cè)量準(zhǔn)備

按圖連接儀器,加電預(yù)熱,預(yù)熱時(shí)間按儀器說(shuō)明書要求。注意功分器至相位檢波器的兩個(gè)信號(hào)通路的延遲差應(yīng)該最小,并選用調(diào)幅噪聲小的頻率源。

(2)系統(tǒng)定標(biāo)

系統(tǒng)定標(biāo)就是測(cè)量相位檢波系數(shù)Kφ,確定輸入信號(hào)的相位起伏和相位檢波器輸出電壓起伏之間的關(guān)系。系統(tǒng)定標(biāo)有兩種常用方法,正負(fù)直流峰值法和差拍法。
正負(fù)直流峰值法。調(diào)節(jié)移相器,觀察正交指示器,使相位檢波器輸出的直流電壓達(dá)到正峰值,用Umax表示,再調(diào)節(jié)移相器,使電壓達(dá)到負(fù)峰值,用Umin表示,則
Kφ=(Umax-Umin)/2
差拍法。用功率計(jì)測(cè)量參考輸入端功率;設(shè)置頻率綜合器的輸出頻率為f0 + fb(fb可設(shè)置為小于100kHz的任意低頻頻率,典型應(yīng)用為1kHz),輸出功率與參考輸入端功率相等。替代原參考信號(hào)接入?yún)⒖驾斎攵?,被替代的信?hào)通路末端加50Ω終端負(fù)載,測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量檢相器輸出的差拍信號(hào)fb的電壓峰值,則相位檢波常數(shù)K的數(shù)值等于fb的電壓峰值。

(3)正交與測(cè)量

調(diào)節(jié)移相器使直流電壓表讀數(shù)為零,即系統(tǒng)正交,用頻譜分析儀測(cè)得偏離載頻f處邊帶電平值Pm.

(4)測(cè)量數(shù)據(jù)的校正

邊帶電平的測(cè)量值Pm需加以下三項(xiàng)校正因子:
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測(cè)試結(jié)果示例


圖2為我們對(duì)固態(tài)功率放大器的實(shí)際測(cè)試結(jié)果。圖中最下面的一條曲線為PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的本底噪聲,上面的三條曲線為重復(fù)進(jìn)行三次測(cè)量的結(jié)果。

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圖2附加相位噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果示例

注意事項(xiàng)

(1)在保持正交的前提下,盡量使相位檢波器兩路輸入信號(hào)經(jīng)歷的電長(zhǎng)度相等,這時(shí)源的噪聲在相位檢波器中互相抵消,測(cè)得的相位噪聲即為被測(cè)頻率控制器件的相位噪聲。
(2)目前只有帶附加相位噪聲選件的PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)和HP3048A相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)才具有附加相位噪聲測(cè)試功能。
(3)測(cè)試頻率控制器件的附加相位噪聲之前,一般要先測(cè)量系統(tǒng)的本底噪聲,確保測(cè)試系統(tǒng)工作正常。
(4)頻率控制器件的相位噪聲一般都要比信號(hào)源的相位噪聲好,我們測(cè)試的固態(tài)功放的相位噪聲就比信號(hào)源的相位噪聲好很多。

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表1附加相位噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
 
放大器對(duì)信號(hào)惡化程度的說(shuō)明

對(duì)放大器的附加相位噪聲測(cè)試,筆者曾經(jīng)嘗試先測(cè)量信號(hào)源的相位噪聲,再測(cè)量接入放大器之后信號(hào)源的相位噪聲,以放大器對(duì)信號(hào)源的相位噪聲的惡化程度來(lái)表征放大器的性能,但是結(jié)果幾乎看不出來(lái)放大器對(duì)信號(hào)源的惡化。

經(jīng)過(guò)分析測(cè)試結(jié)果是真實(shí)的,這種測(cè)試方法測(cè)試的是放大器和信號(hào)源的相位噪聲之和,放大器對(duì)信號(hào)源相位噪聲的影響可由下式給出:

e(dB)= 10lg[1 + 10-d/10]
d為放大器和信號(hào)源相位噪聲的差值。放大器對(duì)信號(hào)源相位噪聲的惡化見(jiàn)表2.

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表2相位噪聲惡化值
 
當(dāng)放大器的附加相位噪聲指標(biāo)遠(yuǎn)好于信號(hào)源的相位噪聲指標(biāo)時(shí),這種方法不適宜用于測(cè)量放大器的附加相位噪聲。

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