基于等效鉴相频率的新型相位噪声测量系统

    常见的相位噪声测量方法有检相法、鉴频法、差拍法等[1]。检相法是一种应用最广泛、灵敏度高、分析频率范围宽、测量准确度最高的一种测量方法。由于采用了正交检相技术,对调幅噪声有较大的抑制,不仅能测频率源的相位噪声,也可测晶振的相位噪声和两端口频率器件的附加相位噪声等。该方法测量比较复杂,要求有一个能够进行频率调整的低相噪参考源,参考源的相位噪声决定了系统的测试能力。鉴频法是用鉴频器将被测源的频率起伏变换为电压起伏,由频谱仪测量频率起伏谱密度,将其换算成相位起伏谱密度,在小角度条件下计算得到单边带相位噪声。相对于检相,它不需要参考源,但近载频灵敏度较低,适用于频率稳定度较差的频率源和VC0等的测试。差拍法是一种时域分析法,适用于测量精密频率源的近载频相位噪声,靠近载频处的灵敏度是最高的。它采用时域测量阿仑方差的方法,通过时频域转换得到相位噪声,一般应用较少。以上这些测量方法虽然具有很高的测量精度,但电路设计复杂而且价格昂贵。直接频谱仪测量法是一种简便、有效并在工程测试中经常用到的方法。特别是现在高档的频谱仪,一般都具有直接测量单边带相位噪声的功能,一个按键即可解决问题。但是由于受频谱仪自身的噪声低、动态范围、滤波器波形等因素的限制,其测量范围有限,一般用于测量相位噪声指标不是很高的频率源的相位噪声,在偏离载波1 kHz以上的情况下,其测量结果的可信度比较高,1 kHz以内可信度较差。此外,新出现的数字化相位噪声测量系统具有很高的测量精度,但是受被测频率范围的限制。

    针对以上5种测量方法的优缺点,本文提出了一种基于等效鉴相频率的新型相位噪声测量方法。该方法不仅简化了电路结构,降低了成本,而且还解决了高精度与窄测量范围之间的矛盾,结合CPLD片上技术,测量系统的稳定性同时也得到了极大提高。

    1 系统原理

    频率信号之间除了各自的周期性变化特性外,对于测量、比对和控制起显著作用的是频率信号间相位差变化的规律性,表征为它们之间的最大公因子频率、最小公倍数周期、量化相移分辨和等效鉴相频率等[2-3]。设两标频信号f1和f2,周期分别为T1和T2。

    若f1= Afmaxc,f2= Bfmaxc,其中A和B是2个互素的正整数,且A > B,则称fmaxc为它们之间的最大公因子频率,fmaxc的倒数为最小公倍数周期Tminc,则有

Tminc1=1/fmaxc= A/f1= AT1(1)

Tminc2=1/fmaxc= B/f2= BT2(2)

    由式(1)(2)可知,最小公倍数周期等于两信号频率的严格整数倍,它们之间的频率关系如图1所示。

    由于f1和f2之间存在频差,必然引起它们之间相位差的变化,相位差状况的变化规律在最小公倍数周期内不是相邻周期连续的,也不是绝对单调的,其单调性取决于两信号间的频率关系。在一个Tminc内,若以f2为参考信号,针对f2的每一个特征相位点,f1与它的相位差分别用Tc1、Tc2、,、TcB表示[4-5],则有