一种相位噪声标准介绍

一种相位噪声标准介绍

张爱敏李黎明

中国计量科学研究院１０００１３

摘要：本文介绍一种５ＭＨｚ，１０ＭＨｚ及１００ＭＨｚ相位噪声标准及相关测量方法，该标准是由ＦｒｅｄＬＷａｌｌｓ设计发明的专利产品，可用来评价相位噪声测量承缝奉底及系统相位噪声测量的准确度，也可用来测量相位噪声测量系统中鉴相器的灵敏度。该标准的使用可必备实验室相位噪声测量系统之间的比对及测量过程变得简便，且有很高的准确度。

关键词：相位噪声，相位噪声标准

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｎｊｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓａｋｉｎｄｏｆｐｈａ５ｃｎｏｉｓｅｓｔａｍｌａｓｄａｔｃａｒｒｉｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ５ＭＨｚ，１０ＭＨｚａｎｄ１００ＭＨｚ，ＴｈｉｓｓｔａｎｄａｒｄｉｓａｐａｔｅｎｔｄｅｖｉｃｅｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙＦｒｅｄＬｗａｌｌｓ。Ｔｈｉｓｓｔａｎｄａｒｄｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｎｏｉｓｅｆｌｏｏｒｏｆｐｈａｓｅｎｏｉｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ。ｉｔｃｕｎａｌｓｏｂｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｉｂｒａｔｅｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒｆｏｒｐｈａｓｅｎｏｉｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ。Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｓｔａｎｄａｒｄｍａｋｅｓｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｏｆｔｈｅｐｈａｓｅｎｏｉｓｅｍｅａｓｌｌｒｏｍａｎｔｓｙｓｔｅｍｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓａｎｄｍｅｍｃａｓｕ他ｍｅｎｔｐｍｃｅｄｌｌｒｅｓ

ｐｒｃＵｙｅａｓｙｗｉｔｈｖｅｒｙｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＰｈａｓｅＮｏｉｓｅ，ＰｈａｓｅＮｏｉｓｃＳｔａｎｄａｒｄ

１．引言：

１．１定义

相位噪声是信号源输出频率在频域的随机起伏程度，国际上推荐的表征量为单边带相位噪声￡（ｆ）。其定义为：

当△ｏ（（Ｉｒａｄ时ｓ?为相位起伏功率谱密度￡（ｆ）＝圭蹦厂）（ｄＢｃ／Ｈｚ）旷端△（ｒａｄ２／Ｈｚ）

ｆ．相对于载频的傅立叶频偏，

△ｍ。。（ｆ）：相位变化的有效值，ＢＷ：等效噪声带宽或测量带宽。（１）（２）

１．２传统的测量方法

频率源相位噪声的测量一般采用正交鉴丰目法（双源鉴相法），其基本原理是将被测源的随机相位起伏转化为与之成正比的随机电压起伏，由频谱仪进行谱分析。具体测量方法见图１。

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图１鉴相法原理图

当被测源及参考源二信号相位正交时，鉴相器（混频器）的输出为ＡＶ＝ｋａ△西

ｋｄ为鉴相常数（也称鉴相灵敏度）。频率源的相位噪声可表示为：

￡（ｆ）＝瓦鬲ＡＷ７２ｉｒｒ酾ａｓＢＷ（３）

２［ｋＧ（，）】２

△Ｖ。：频偏ｆ处电压变化的有效值

Ｇ（ｏ：低噪声放大器的增益

若以ｄＢ为单位来表示，有

￡（ｆ）＝２０１９ＡＫ。一２０１９％一２０１９Ｇ（ｊ）一１０１９ＢＷ一３（４）鉴相常数ｋｄ的确定通常用拍频法，让参考源与被测源产生一个低频的拍频信号，用示波器或其它接收仪器测量该信号的过零点的剁率，该斜率即为鉴相常数ｌｃｄ。ｌ［ｄ的估计值也可通过测量拍频信号的峰值得到。

相位噪声测量系统的重要技术指标是系统的本底，其测量方法见图２。移相器用来调节相位使鉴相器输入端的两信号相位正交。

图２本底测量框图

两端口部件（放大器、倍频器、分频器等）的测量方法与本底的测量方法类似，见图３。如果被测件改变频率，则功分器的两端都要加入被测件。

由于参考源的相位噪声在鉴相器的两输入端被互相抵消，最后的测量结果即是系统的本底或两端口部件的残余相位噪声。

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图３两端口部件相位噪声测试框图

测量系统本底和测量两端口部件残余相位噪声时ｌ（ｄ的测量方法有很多种，比较常用的有较高准确度的方法为替代源法，即用功率计测出功分器一输出端的功率电平，该输出端接５０Ｑ负载，用一替代源接入鉴相器输入端，其输出功率为所测得的电平值，调节其频率使鉴相器输出端产生一低频的拍频信号，测其过零点的斜率，即为ｋｄ。将功分器重新接入鉴相器，调节移相器或参考源频率，使鉴相器两输入端的信号相位正交，从而测得△ｖｒｍｓ，得到系统本底或两端口部件残余相位噪声。

１．３传统的比对方法

各个实验室的相位噪声测量系统进行比对时，一般采用的方法是：用一个便携的晶体振荡器作为传递标准，各个系统对其进行测量，通过测量结果进行比对。由于晶振噪声的瞬时变化其重复性只能达至Ｕ±３ｄＢ。

美国国家标准技术研究院ＦｒｅｄＷａｌｌｓ博＝＝｜＝‘设计了一种相位噪声标准，可用于评价相位噪声测量系统本底及相位噪声测量的准确度，并简化ｋｄ的测量。

２．５ＭＨｚ，１０ＭＨｚ及１００ＭＨｚ相位噪声标准

２．１基本原理：见图４。

田。眨Ｉ，删舢

Ｉ！！堡！ｌ载频ｏｆｆ广—＿一整塑墨Ｌ—＋参考输出

厂————］厂——‘—１１

一噪茬ｏｆｒ，厂－

ｌ１００ＭＨｚｌ—Ｉ功率加法器ｌ

年隹牵医鲴Ｉ

５０ｎｌｉｌ衰减器ｌ

壬—■厂一

图４相位噪声标准原理图

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５ＭＨｚ、１０姬ｌｚ和１００姗；的参考频率源具有非常低的相位噪声，其幅度经调整后被功分器分为参考输出和调制输出，开关控制载频Ｏｎ或ｏｆｆ。宽带的功率加法器用于将经过带通滤波的高斯噪声加到载频上，所加的噪声电乎比大多数的相位噪声测量系统本底高４０ｄＢ左右，校准过的噪声从傅立叶频率直流到５心ｚ，ｌＯＶ，ｌｉｚ，１００ＭＨｚ载频频率的５％的频率范围内平坦度为士Ｏ．２ｄＢ，用一开关插入衰减器以改变噪声电平。相位噪声的功率谱密度用下式表刁隋：叭，）＿型逝篙掣㈣

其中Ｖｏ为载频幅度，ＰＳＤＶ一（ｖ０土ｆ）＝Ｗ（ｖｏ＋ｆ）／Ｈｚ为频偏ｖｏ＋ｆ处噪声电平的功率谱密度。

假设所加的噪声幅度从ｖｏ－ｆ到ｖｏ＋ｆ为常数，则从Ｄｃ到滤波器的半带宽处Ｓｏ（ｆ）为常数。开关连接５０ｆｉ终端或经过滤波器的噪声，功率加法器线性地将５０Ｑ终端或经过滤波器的噪声加到信号上以产生调制输出。由于信号与噪声相位不相关，调制输出将有相同的ＰＭ及ＡＭ噪声（本文仅考虑ＰＭ噪声），用传统的方法可很容易地在很宽的温度范围内使噪声谱保持为一常数。所加噪声的电平需满足

ＩＳｍ（厂）＜＜ｏ．０１（６）

０

根据公式（５）分别测量ＰＳＤＶｗ（Ｖ＋ｆｏ）干¨Ｖｕ，得到调制输出相对于参考输出的Ｓｏ（ｆ），为了使测量有很好的分辨力和准确度，调整开关使载频Ｏｉｌ噪声ｏｆｆ时，测量ｖ。，调整开关使噪声Ｏｉｌ载频ｏｆｆ时，测量ＰＳＤＶ．（ｖ。±ｆ）。作为相位噪声标准，Ｓｏ（ｆ）应远远高于测量系统本底但又要足够小以满足公式（６）。

２．２相位噪声标准不确定度分析：

如果用频谱分析仪在调制输出端来测懿ＰＳＤＶｗ（ｖｏ士ｆ）和Ｖｏ，则相应的频谱分析仪的噪声带宽及测量ＰＳＤＶｗ（ｖ０±ｆ）和Ｖｏ的相对Ｌｂ乎准确度将影响测量的不确定度，分析如下：（１）随机误差０．０５ｄＢ

（２）频谱分析仪的非线性０．１ｄＢ

（３）测量带宽的不确定度０．０４ｄＢ

总的不确定度＜０．２ｄＢ。

２．３相位噪声标准的应用

（１）相位噪声测量系统本底及系统测量准确度的评价

按图５连接相位噪声标准及相位噪声测量系统，相位噪声标准产生（１５～１７）ｄＢｍ的输出信号。首先，使噪声ｏｆｆ，利用Ｌ２介绍的方法可测量系统本底。然后使噪声ＯＩｌ再进行相位噪声的测量，、测得的Ｓｍ（ｆ）与２．１介窒１＿｛的方法得到的校准相位噪声的功率谱密度的差即代表了被测相位噪声测量系统的误差。系统的噪声本底只在近载频处（ｆ趋近于０时）会对测量结果有影响。误差的产生主要来源于ｋｄ的测量过程，例如测量ｌｃｄ和相位噪声测量过程中使用了不同的电缆。这种测量方法避免了锁相环路在低频时的影响。

可见，这种标准可评价相位噪声测量系统本底及系统测量准确度，因此，可代替传统的传递标准，实现各实验室之间相位噪声测量系统的比对。

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相位噪声标准相位噪声测量系统

图５相位噪声测量系统校准

（２）两端口部件的附加相位噪声的测量

测量两端１３部件的附加相位噪声，连接图类同于图（５），两端口部件插入到相位噪声标准至相位噪声测量系统之间的一或两通路，调整开关使校准噪声ｏｎ，测量功率谱密度，通过计算与已知的噪声源的功率谱密度的蔫，得到系统将相位变化转换为电压变化的灵敏度（包括鉴相器及放大器），校准噪声ｏｆｆ测量相对于校准噪声的相位噪声，从而得到被测件的相位噪声。利用这种方法，可不用测量ｌ（ｄ，简化了测量过程，由于不变换频率源及电缆，没有锁相环的影响，可以有很好的铡龄准确度。

（３）相位噪声标准在双源鉴相法中的应州

在双源鉴相法中，应用这种相位噪声标准，也可以省却ｌ（ｄ的测量，简化测量过程，并使测量有很好的准确度，见图６。

相位噪声标准

图６相位噪声标准在双源鉴相法中的应用

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使校准噪声ｏｎ来测量系统将相位变化转换为电压变化的灵敏度，校准噪声ｏｆｆ测量相对于校准噪声的相位噪声，从而得到被测源的相位噪声。

图６所示测量方法，选择相位噪声很低的被测源作为外部参考源，也可用来评价系统测量的准确度。只是在近载频处，锁相环将对测量结果产生影响。

结论

本文简单介绍了载频为５删ｚ、ｌＯＭｔｈ和ＩＯＯＭＨｚ的相位噪声标准源，其它载频的相位噪声标准源可按同样原理制成。这种标准源的使用使各实验室之间相位噪声测量系统的比对变得简便，并有很高的准确度，在用于频率源或两端口部件相位噪声的测量时，由于同时完成鉴相灵敏度及放大器增益的测量，火火简化了测量过程。这种标准源也可用于鉴频法及调幅噪声测量中，本文未加介绍。

参考文献

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３．“ＰｒａｃｔｉｃａｌｓｔａｎｄａｒｄｓｆｏｒＰＭａｎｄＡＭｎｏ【ｓｅａｔ５ＭＨｚ，１０Ｍｔｈａｎｄ１００姗Ｚ，，Ｆ．Ｌ．ｗａｌｌｓ４．‘‘ＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｍｐｌｉｔｕｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｎｏｉＳｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ”Ｆ．Ｌ．Ｗａｌｌｓ

５．”Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｈａｓｅｎｏｉｓｅｍｅｔｒｏｌｏｇｙ”Ｆ．ＬＷａｉｌｓ

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