专利名称：一种基于鉴相法测量相位噪声的方法
技术领域：
本发明涉及电子测量技术领域，具体涉及到利用鉴相法进行相位噪声测量时用于提取相位噪声、改善测量系统噪声底部和测量精度的一种数据处理算法，确切地讲是一种基于鉴相法测量相位噪声的方法。
背景技术：
相位噪声是现代电子系统中的关键性技术问题之一，它是衡量信号短期频率稳定度的重要指标。在通信系统中，随着通信带宽的不断提高和信道越来越密集，对通信系统中关键信号的相位噪声要求越来越高；在雷达技术中，系统关键信号的相位噪声直接影响着雷达系统对目标探测的分辨能力。在仪器技术中，相位噪声指标是衡量许多仪器性能的重要指标，降低相位噪声是提高仪器设备性能的重要内容，低相位噪声源是诸多仪器中的核心技术之一。因此相位噪声测量越来越成为电子测量领域中的关键问题，受到越来越多地关注。
针对不同应用领域和不同的测量要求，相位噪声测量主要有以下几种方法
I.频谱仪测量法直接频谱仪法是简单易行的一种相位噪声测量方法，它将待测频率源的输出信号直接输入到频谱仪的输入端，调谐频谱分析仪的载波频率，通过测量被测信号的频谱而得到被测信号的相位噪声。频谱仪测量法在应用中受到以下因素的制约 测量结果受频谱仪本振源相位噪声的制约、不能区分相位噪声和幅度噪声、不易测量近载波处的相位噪声。
2.鉴频测量法鉴频法又称无参考源法，它将待测源的频率起伏A f由某种微波鉴频器变换为电压起伏△ V，再用基带频谱分析仪测量该电压的起伏量，从而实现相位噪声测量。常用的鉴频器有延迟线/混频式鉴频器、RF桥/延迟线鉴频器、腔体鉴频器、双延迟线鉴频器等。其工作原理如下被测源信号经功分器分两路，一路经宽带延迟线时延Td，将频率起伏变为相位起伏A Cj5 = 2 JiftlTd,另一路信号经带宽可变移相器，调节移相器使两输入信号正交，送入鉴相器进行正交鉴相，由鉴相器将相位噪声转换为噪声电压，经A/D转换为数字信号后进行FFT和功率谱估计等信号处理，测得被测信号的相位噪声功率谱S41 (f) 和单边带相位噪声L(f)。鉴频测量法的主要优点是不需要参考信号源、对相位波动较大的被测源具有很好的测量效果；该方法的局限性在于针对不同频率的被测源需要对鉴频器进行调整、不易测量近载波处的相位噪声。
3.鉴相法也称为双源测量方法或锁相环测量方法。这种方法将被测信号与一个同频率且正交的高稳定度的参考源信号作为鉴相器的两个输入信号，鉴相器输出为与被测信号的相位起伏成比例的低频噪声电压，经过低通滤波器和低噪声放大器，加到频谱仪上测出不同fm处的噪声电平，计算得出被测信号源的S41 (f)，或将经过低通滤波和低噪声放大后的鉴相器输出信号采样后变换到数字域，利用数字信号处理的方法求得被测信号的单边带功率谱。鉴相法的主要优点是测量灵敏度高、频率分辨率高、输出频率范围宽、对幅度噪声具有较好的抑制能力；该方法的局限性在于测量结果受到参考源与被测源频率差和参考源的相位噪声的影响。
上述三种方法中鉴相法因为其良好的测试性能具有很广泛的应用，许多相位噪声测量仪器都是基于鉴相法实现的。但是，鉴相法的测量效果受到两个方面的制约一是鉴相法中要求参考源必须与被测源频率相等，实际电路中通过鉴相器输出对参考源的反馈构成锁相环回路来调整参考源以实现其与被测源同频，但锁相环在实际测量中并不能随时保证其绝对同频，参考源与被测源之间的频率差会对相位噪声的测量结果带来影响；二是参考源的相位噪声会对测量结果带来影响，一般要求参考源的相位噪声至少低于被测源IOdB 以上。这两方面的制约在很大程度上影响了仪器的技术指标，增加了整个仪器的开发难度和成本。发明内容
为解决鉴相法测量相位噪声中参考源与被测源频率差和参考源自身频率波动对测量结果的影响问题，本发明提供一种基于鉴相法测量相位噪声的方法，通过对低通滤波和低噪声放大后的鉴相器输出信号进行处理，消除参考源和被测源频率差对相位噪声测量结果的影响，以降低测试系统的噪声底部，提高测量的精度和灵敏度。
本发明的目的是这样实现的，一种基于鉴相法测量相位噪声的方法，其方法是至少包括建立相位噪声数学模型；
依据数学模型测量相位噪声。
所述的建立相位噪声数学模型包括
给出鉴相器输入的被测源信号如式(I)，
Vi (t) = Ai sin[ CO^ + Oi + Cpi (,)](I)
给出参考源信号如式⑵
Vr(t) = Ar sin[G>rt + dr+^ + <pr(7)] = Ar cos[cort + Or + ^r(0](2)
其中Vi(t)是被测源信号，e i是被测信号的初始相位，只奶被测源信号的相位； Vr(t)是参考源信号，A+f是参考源信号的初始相位，是参考源信号的相位噪声；
则鉴相器的输出信号为
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]}
鉴相器输出通过低通滤波器和低噪声放大器后为y(t)
XO =Asm[^L>j -0r),+q -Or +^(0-^r(0]=^4sin[A(rf+^0 +(pit)](4)
其中A是信号y (t)的幅度，A 是频率差，9 u是两信号源的初始相位差。(P(t)=只(0-A(0是被测源相对于参考源的相位噪声；
设定测量信号直流分量为C，因此⑷式可以写成如下形式
y{t) = A sin(A + + tPit))+ ^(5)
将式(5)展开为下式
y{t) = A sin(A + 6*0) cos(沪(V)) + A cos(Acot + O0) sin(沪(V)) + C(6)
在理想情况下由于Aco=O, 0。= 0,^(0 I ,cos(沪⑴)* I ,sin(沪⑴)* cp(t)，贝丨J (6)式可写为
y{t) = A sin(^>( )) + C^A cp{t) + C(7)
由(7)可知，测量中可以用测量数据y(t)的功率谱密度代替相位噪声信号抑)的功率谱密度计算单边相位噪声；
由于在实际测量中A O ^ 0, 0 0 ^ 0, ^(0 I ,cos(^(0) * I ,sin(^(0) * cp{t)，则(6)式可写为
y{t) ^ Asin(A如 + 6^) + Acos(A如 + O0)cp{t) + C(8)由(8)式可得包含频差的信号相位噪声提取模型
y^-A'&mi^cat+O^-C(9)Jcos^W+沒0)
所述的依据数学模型测量相位噪声步骤是
101步，对经过低通滤波和低噪声放大后的鉴相器输出信号进行数据采集；
102步，估计信号的频率范围，记为[Oil, ih]，此时i = 0，信号频率的初始估计值，记为，初始频率估计最大误差5 Ocih-Ocil;
103 步，取 i = i+\,o)n = -Sco0 IM1^1 ,a>ih = +Sco0 IM1^1 ；
104步，在频率范围[GJil, coj内等间隔选取2M+1个频率值，分别记为Acoij j =0，1，A，2M，按照以下方法计算2M+1个频率值的对应的幅值Au、初相位0 Jj和直流分量 Cij以及这些点对应的均方误差Eij = 0,1, A，2M ;
设
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)式的矩阵方程解得Pij^pCij，代入(12)、(13)式可求得各频率点对应的幅值Au、初相位0 Jj和直流分量Cijt5
(11)
权利要求
1.一种基于鉴相法测量相位噪声的方法，其方法是至少包括建立相位噪声数学模型；依据数学模型测量相位噪声。
2.根据权利要求I所述的一种基于鉴相法测量相位噪声的方法，其方法是所述的建立相位噪声数学模型包括给出鉴相器输入的被测源信号如式(1)，
3.根据权利要求I所述的一种基于鉴相法测量相位噪声的方法，其方法是所述的依据数学模型测量相位噪声步骤是101步，对经过低通滤波和低噪声放大后的鉴相器输出信号进行数据采集；102步，估计信号的频率范围，记为[Coil, ih]，此时i = 0，信号频率的初始估计值，记为AfSci，初始频率估计最大误差5 Co0 = COcih-COtll ;\103 步，取
全文摘要
本发明涉及电子测量技术领域，具体涉及到利用鉴相法进行相位噪声测量时用于提取相位噪声、改善测量系统噪声底部和测量精度的一种数据处理算法，确切地讲是一种基于鉴相法测量相位噪声的方法，其方法是，至少包括建立相位噪声数学模型；依据数学模型测量相位噪声。它通过对低通滤波和低噪声放大后的鉴相器输出信号进行处理，消除参考源和被测源频率差对相位噪声测量结果的影响，以降低测试系统的噪声底部，提高测量的精度和灵敏度。
文档编号G01R29/26GK102539944SQ201210000229
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者王家礼, 詹劲松, 陈晓龙 申请人:西安电子科技大学