相关零拍法相位噪声谱测量系统的研究与实现

　　1　引　　言

　　相位噪声是衡量频率标准源(高稳晶振、原子频标等)频稳质量的重要指标,随着频标源性能的不断改善,相应噪声量值越来越小,因而对相位噪声谱的测量要求也越来越高。传统的零拍测量法已面临严重的挑战,特别是在如何减少测量系统本身的噪声对测量结果的影响,提高系统的测量灵敏度方面尤为困难。本文在零拍测量法的基础上,结合相关技术原理,对新提出的相关零拍测量法,从测量原理、电路实现及实测结果等方面作了阐述,结论表明该法是测量相位噪声谱行之有效的新方法。

　　2　零拍法测量系统及面临的困境

　　零拍法相位噪声谱测量系统如图1所示,当被测源信号和参考源信号相位正交(相位差90℃)时,经鉴相器和低通滤波器后电压输出为：

式中:Kψ为鉴相灵敏度,为被测源的瞬时相位起伏。如从频谱角度看,上式可表达为:

式中:S(fm)为输入到谱频分析仪的噪声电压谱密度。

　　式(2)表明,鉴相器的输出电压起伏与被测信号的相位噪声起伏呈线性关系,因此对相位噪声的测量实际上已转化为对鉴相器输出电压起伏Urms(f)的分析和测量了,然而,由于鉴相器本身器件的噪声及其它元件和电路的噪声都直接影响Urms(f),为此把所有的噪声影响都等效折算到鉴相器的输出端,且用Un(f)表示,那么鉴相器的输出电压应为:

　　表1列出了鉴相器的输出电压起伏量与相位噪声谱的对应关系,可以看出,当相位噪声谱L(f)≤155dB/Hz时,对应的电压起伏量Vrms(f)≤事实上,电路及元器件的热噪声电压量Un(f)已与这个量级的电压相当,因此,Un(f)直接限定了零拍法系统测量相位噪声谱L(f)的最高灵敏度水平。如果要进一步提高L(f)的测量灵敏度,就要进一步减少元器件(特别是鉴相器和放大器)的噪声电压量Un(f),但是,在目前的工艺技术水平下,十分有限和困难,必须寻找一种新的测量方法才有可能得以实现。

　　3　相关零拍法相位噪声谱测量

　　在零拍测量法之上,利用相关原理,设计给出了一种新的测量方法——相关零拍测量法,该法实现了减少噪声电压Un(f)对L(f)的影响程度,从而达到了提高相位噪声谱L(f)测量灵敏度的目的。

　　图2为相关零拍法相位噪声谱测量原理框图,它由两个通道组成,每通道分别含有一个独立的零拍法器进行相关运算,从而实现相位噪声谱测量。

　　据式(4),图中A、B两点的电压谱密度可表示为

　　其中:S1(f)、S2(f)分别是两通道零拍法系统输出的与被测相位噪声对应的电压谱密度,Sn1(f)、Sn2(f)分别是两通道的电路和元件的噪声电压谱密度。因此通过一个传输函数为H(f),带宽为B,中心频率为f0的窄带通滤波器后输出的电压分别为：