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1 脉冲调制信号相位噪声测试方法 安捷伦科技有限公司技术指南 相位噪声参数是评估连续波信号频率短期稳定度的重要指标, 相位噪声性能的好坏会对电子系统的整体性能有重要影响, 例如雷达系统的作用距离, 目标分辨率, 数字通信系统的误码率等都和系统频率源的相位噪声有关 在雷达系统和 TDMA 系统中, 发射的信号都为脉冲形式的突发信号, 测试中需要在系统的工作状态下进行频率源性能测试, 这就要求在脉冲调制状态下测试频率源输出信号的相位噪声 当信号被脉冲调制后, 信号的功率谱特性会发生变化, 图 1 为典型的脉冲调制信号的功率谱, 频谱特性为按脉冲重复频率 (PRF) 为等间隔的离散频谱, 频谱形状为 sinx/x 辛格函数包络, 频谱包络的过零点位置为脉冲宽度的倒数 (1/τ) 脉冲调制后信号的相位噪声的频域特性同样会发生变化 图 1: 脉冲调制信号功率谱特性 连续波信号相位噪声反映在频谱上为偏离载波频率的噪声边带, 通过单边带相位噪声指标 (SSB phase noise) 能对该参数进行定量描述 当信号被脉冲调制后, 载波的相位噪声边带会和重复频率位置的频谱成份噪声边带发生混叠, 整个噪声边带的功率分布还会受到脉冲调制信号功率谱的 sinx/x 辛格函数的影响 脉冲调制信号的频谱特性能决定了脉冲调制信号相位噪声测试时, 最大测试频偏需范围需要小于脉冲重复频率一半, 超过这个范围会受调制边带噪声的影响 脉冲重复频率 连续波信号相位噪声频谱特性 脉冲调制信号相位噪声频谱特性 图 2: 脉冲调制信号相位噪声频谱特性

2 连续波信号相位噪声时域特性 脉冲调制信号相位噪声时域特性 图 3: 脉冲调制信号相位噪声的时域特性 相对连续波形式点频信号相位噪声测试, 脉冲调制形式的信号相位噪声测试需要测试仪表具备相应的能力来完成测试, 针对脉冲调制信号相位噪声的测试要求, 工程上可以采用鉴相法和频谱分析仪测试方法来测试脉冲调制信号的相位噪声 这两种方法测试原理不同, 可以适应不同类型和脉冲参数的被测试频率源的测试要求 表格 1 给出这两种脉冲调制信号相位噪声测试方法的技术特点说明 表 1: 脉冲调制信号相位噪声测试方法 脉冲相噪测试方法 测试方法说明 技术特点 典型的测试参数范围 鉴相法测试法 1: 使用参考信号源和被测频率源进行鉴相处理, 对鉴相器输出的相位误差电压进行频谱分析 2: 测试系统对脉冲形式鉴相输出进行滤波, 低噪声放大和频谱分析, 1: 测试灵敏度高 2: 相位噪声灵敏度受信号脉冲占空比影响 3: 最大测试频偏受脉冲重复频率的影 占空比 :2% 脉冲重复频率 :50kHz 脉冲宽度 :1us 测试频偏范围 : 0.1Hz~ 脉冲重频 /2 得到相位噪声参数 3: 测试系统需要具备高性能参考源, 频率锁定, 同步脉冲调制等功能 响 最大频偏小于脉冲重复频率的一半 频谱仪测试法 1: 使用频谱仪时间门功能对脉冲调制信号进行选时频谱测试 2: 频谱仪 RBW>2/ 脉冲宽度 3: 频谱仪的时间门处理功能, 得到脉冲调制信号脉内时间区域信号的频谱, 通过功率比值测量得到相位噪声参数 1: 测试方便 2: 测试最小频偏受信号脉冲宽度影响 最小频偏需大于脉冲信号频谱主瓣宽度 : (2/ 脉冲宽度 ) 3: 相位噪声测试灵敏度受频谱本振相噪和中频滤波器频响影响 脉冲宽度 :1ms 最小测试频偏 : 大于 1kHz

3 1: 鉴相法测试脉冲调制信号相位噪声技术说明 Agilent E5505A 相位噪声测试系统具备灵活的配置结构和完整的信号相位噪声相关参数的测试能力, 能满足不同类型频率源的相位噪声相关参数的测试应用要求 针对脉冲调制形式相位噪声测试应用,E5505A 相位噪声测试系统能提供两个方面的测试功能 测试功能技术说明脉冲调制信号绝对相位噪声测试测试脉冲调制形式信号载波的相位噪声性能 被测件为单端口的发射机或脉冲调制处理后的频率源 脉冲器件寄生相位噪声测试测试脉冲器件在工作状态对输入信号相位噪声的恶化 被测试件为双端口电路或系统, 例如 : 功率放大器等 Agilent E5505A 相位噪声测试系统 测试应用 1: 脉冲调制信号绝对相位噪声测试 81104A 双通道脉冲发生器 被测信号 PSG/E8663B 参考信号源 外调频接口 (EXT1) 信号源外脉冲调制接口 连接到扫频频谱仪 锁相环压控电压 连接到计算机 AD 采集卡 E5500A 系统 连接到计算机 AD 采集卡 E5505A 系统 连接到示波器和计数器 E5505A 测试系统连接关系

4 E5505A 相位噪声测试系统包含参考信号源, 鉴相测试装置, 微波下变频器, 频谱仪, 计数器, 测试计算机等部份 在脉冲调制信号相位噪声测试中, 特别是在小脉冲占空比状态下, 需要对被测信号源和参考信号源进行脉冲同步调制, 以消除鉴相输出中的直流偏置对测试系统的影响 可以使用脉冲发生器对被测源和参考源进行同步脉冲调制 Agilent PSG 和 E8663B 高性能信号源都支持外脉冲调制功能 (Ext Pulse) 也可使用被测频率源中的脉冲控制信号进行控制, 如果被测源和参考源源的时间延迟较大, 可以设置参考源工作于内脉冲外触发状态 (Int Triggered), 然后通过调整参考源脉冲触发的延迟来实现 脉冲调制信号绝对相位噪声测试举例 : 被测试信号参数 : 测试频率 :10GHz, 脉冲重复周期 :50kHz, 脉冲宽度 :1us, 信号峰值功率 :13dBm 测试步骤 1: 步骤 1: 测试频率确定为提提高脉冲调制信号相位噪声的测试速度和精度, 可以先对连续波形式的被测信号进行相位噪声测试, 一方面可以比较连续波状态和脉冲调制状态下信号相位噪声的变化, 另外可以让测试系统精确地确定参考信号源的中心频率和其它校准参数, 这些参数的设定可以提高脉冲状态下系统的测试速度和测试精度 测试频率 微波信号测试鉴相方式选择 参考源功率 参考源压控灵敏度 E5505A 相位噪声测试系统软件设置界面 对于频率超过 1.6GHz 的微波信号测试, 需要设值的还包含 : 鉴相方式和变频设值 鉴相方式可以选择为通过变频后进行鉴相 (Down Converter) 和微波直接鉴相 (Test Set), 推荐使用变频后鉴相 如果选择变频后鉴相方法, 还需要在 Downconverter 菜单中设置载波频率 (Input)

5 微波信号频率设值 变频模式下微波信号测试频率设置界面 连续波相位噪声测试的参考源设置于程控模式 连续波测试状态下, 参考源设置于系统程控模式下, 参考源的中心频率, 输出功率, 调制参数等都由 E5505A 系统软件进行设置 步骤 2: 测试功率确定, 鉴相常数和压控增益参数确定鉴相法测试相位噪声, 测试系统的相位噪声测试灵敏度和被测信号功率有关, 建议测试系统功率控制在 10dBm~20dBm 在连续波测试过程中,E5505A 系统会校准鉴相系统的鉴相常数 (phase detector Constant ) 该参数可以作为脉冲状态下鉴相常数的参考设置 在连续波测试状态下, 需要确定的重要参考还有参考源的压控灵敏度 (VCO Tuning Parameter), 该参数会影响测试系统的频率锁定范围和相位噪声测试灵敏度 ( 参考设值为 1kHz/V0) 在保证锁定状态下, 设值变小会提高相位噪声测试灵敏度 该参数也要作为脉冲状态下相位噪声测试的参考

6 连续波测试模式下测试参数通过仪表测试得到 连续波状态相位噪声测试时, 鉴相常数和参考源压控增益参数的校准都可设置为系统测试, 如上图中 E5505A 菜单界面的设置显示 步骤 3: 脉冲调制信号相位噪声测试在 E5505A 测试系统的设置界面上对测试参数进行设置 首先设置测试类型和测试频偏范围 Measurement: Absolute Phase noise( using a phase locked loop) Offset frequency range: start:10hz, Stop:20kHz( 需小于脉冲重复频率的 1/2) Quality: Normal 脉冲调制信号相位噪声测试的频偏范围设置

7 脉冲调制状态下参考源工作于脉冲调制 (Pulse Modulation) 和调频 (FM) 复合调制方式下 脉冲调制工作状态可以保证参考源和被测源保持同步脉冲调制, 调频工作状态可以保证参考源和被测源的频率锁定, 从而保证鉴相处理结果的正确性 脉冲调制状态下, 参考源控制模式应该设置为手动 (manual) 可以手动设置参考源的 参考信号源调制参数设置 : 1 输出频率: 和连续波测试状态相同 2 输出功率:13dBm( 和连续波测试状态相同 ) 3 脉冲调制功能设置: 调制打开 (Pulse: On), 脉冲调制源 : 外部 (Ext Pulse) 4 调频功能设置: 调制打开 (FM:On), 调制源 : 外部 (Ext1), 调频频偏 :1kHz ( 和连续波状态相同 ) 5 控制方式: 本地 (Local) 脉冲相位噪声测试参考源参数设置

8 E5505A 的校准参数包含鉴相常数和参考源压控灵敏度, 脉冲调制信号测试状态下鉴相常数可以选择为系统测量 (Measure Phase detector constant), 或手动设置 (use current phase detector constant), 手动设值的依据为 : 脉冲调制状态鉴相常数 = 连续波状态鉴相常数 脉冲占空比例如连续波信号功率 =13dBm 连续波状态测试过程中, 系统校准得到的连续波状态鉴相常数 =300mv/Rad 脉冲信号占空比 =10% 脉冲状态下鉴相常数 =300 10%=30mv/Rad 脉冲调制状态下相位噪声测试, 参考源压控增益参数设置为手动设值模式 (Calculate from expected) 具体设值和连续波状态相同

9 脉冲调制状态下,E5505A 测试系统中鉴相装置 Test Set 设置需要注意以下几点 : 低通滤波器设置于手动状态, 将自动设置关闭, 滤波器带宽根据脉冲调制频率设置 设置 于小于脉冲重复频率的 1/2 数值, 或接近该数值 Ignore out of lock cond 设置开启 Pulse Carrier: 设置开启 以上设置完成后就可启动脉冲调制信号相位噪声测试, 测试中测试软件会提示仪表和被测设备的连接关系和其它测试步骤, 当显示频率锁定提示时, 只需选择继续 (Continue) 按键就可 测试过程中可以使用示波器对鉴相误差电压信号进行监测, 在频率锁定状态下, 鉴相电压应该为平均电压为 0V 的噪声信号特性, 当脉冲调制信号的脉冲重复周期比较小时, 会鉴相误差电压中会出现脉冲重复频率的馈通泄露, 在单边带相位噪声的测试结果中反映为频偏位置上的离散杂波 脉冲调制信号相位噪声测试 ( 载波频率 :10GHz, 脉冲宽度 :1us, 脉冲周期 :20us) 测试应用 2: 脉冲器件寄生相位噪声测试 脉冲器件寄生相位噪声测试是评估双端口器件对输入信号相位噪声的恶化, 典型的被测脉冲器件包含 : 行波管放大器, 固态功率放大器, 混频器等 测试系统的组成如图所示 测试中只需要一个激励信号源, 信号源输出的脉冲调制信号首先通过功分器进行分路的处理, 信号 1 输入到被测器件中作为激励, 信号 2 作为参考 信号通过被测件后会叠加器件的寄生相位噪声, 通过将被测件输出信号和参考进行鉴相处理可以得到器件的寄生相位噪声参数, 测试系统需要建立这两个信号的相位正交关系

10 脉冲器件寄生相位噪声测试举例 : 被测试信号参数 : 测试频率 :10GHz, 脉冲重复周期 :50kHz, 脉冲宽度 :1us, 信号峰值功率 :13dBm, 被测件输出信号功率 :15dBm 81104A 双通道脉冲发生器 PSG/E8663B 参考信号 被测件脉冲控制 ( 根据被测件要求 ) 被测件 外脉冲调制接口 功分器 外调频输入接口 (EXT1) 连接到扫频频谱仪 锁相环压控电压 连接到计算机 AD 采集卡 E5500A 系统 连接到计算机 AD 采集卡 E5505A 系统 E5505A 测试系统连接关系脉冲器件寄生相位噪声测试 连接到示波器和计数器

11 E5505A 测试系统测试功能定义 : 寄生相位噪声测试 (Residual phase noise) 测试频偏范围 :10Hz~20kHz 测试频率设置 :10GHz E5505A 系统支持多种鉴相常数校准方法, 可以使用正负峰值电压方法 (Derive detector constant from measured +/-DC peak) 方法来确定, 在校准过程中, 系统软件会提示改变频率来测试鉴相器的最大输出电压 也可根据信号功率和脉冲占空比来计算得到脉冲调制状态下的鉴相常数

12 相位噪声测试过程中需要将参考信号和测试信号保持相位正交关系 在器件的寄生相位噪声参数测试中也需要满足这个条件 建立相位正交可以采用移相器方法 (phase shifter) 和微调频率方法 (source frequency manual) 采用微调频率范围是利用参考通道和被测件通道的延迟差异, 通过调整激励信号频率来实现相位正交, 相位正交的依据就是鉴相误差电压为 0V, 电压的观测可以通过 E5505A 系统的 meter 监测功能或外置示波器的鉴相监测结果来确定 脉冲器件寄生相位噪声测试需要将鉴相装置设置中 pulse carrier 功能打开

13 2. 利用频谱仪时间门功能完成脉冲调制信号相位噪声测试 频谱仪具备测试点频信号单边带相位噪声的能力, 频谱仪测试信号相位噪声的特点是测试方法简单, 操作方便, 很对频谱仪还配置相位噪声测试选件, 可以完成单健相位噪声测试 但是频谱仪测试相位测试灵敏度会受频谱仪本振相位噪声的限制, 很难测试高性能的频率合成器和晶振器件的相位噪声 由于操作使用方便, 利用频谱仪测试频率源相位噪声仍然在工程中得到很多应用 对于脉冲调制形式信号相位噪声测试需要使用频谱仪的时间门功能 (Time gate) 所谓频谱仪时间门测试功能就是频谱仪在对信号进行频谱测试时, 测试的过程只在门控信号 (Gate Signal) 的时间段内进行, 这样可得到稳定的脉内信号的频谱特性 时间门频谱测试过程如图 4 所示 标准频谱仪测试信号频谱的时间为其扫描时间, 很难和被测信号的变化周期匹配 图 5: 频谱仪的门控测试功能使用门控制测试功能, 仪表首先能对正确显示被测试信号的脉冲包络, 然后在脉冲包络显示状态下确定测试的时间门范围 为正确显示被测信号的脉冲包络, 频谱仪的 RBW 设置需满足一定要求, 不然会由于 RBW 中频滤波器的影响, 造成对被测脉冲的失真 所以利用频谱仪测试脉冲调制信号相位噪声需要在脉冲宽度和最小测试频偏上折衷, 对于测试频偏为 10kHz 的要求, 需要脉冲宽度大于 1ms 脉冲调制信号的频谱特性

14 使用频谱仪的门控测试功能主要步骤 : 步骤 1: 确定频谱仪测试的频率范围和功率范围 频谱仪表中心频谱和被测信号频率相 同, 扫宽 (Span) 根据相位噪声测试频偏确定, 通常可以设置为 100kHz 功率范围应该根据 被测脉冲调制信号的峰值功率确定 步骤 2: 根据被测信号的脉冲宽度确定频谱分析仪的 RBW 例如 : 被测信号脉冲宽度 =10us, 频谱主瓣宽度 =2 (1/10us)=200kHz RBW 设置 >200kHz 步骤 3: 在频谱仪门控设置界面下确定时间门的位置 时间门应处于脉冲的选定位置 步骤 4: 启动时间门测试功能, 得到稳定的脉内信号频谱 Agilent PSA/MXA 频谱仪采 用全数字中频处理技术, 中频滤波器矩形系数为 4.1:1, 这样可以保证显示频谱的边带不受 滤波器频响的影响 步骤 5: 首先利用 marker 功能测试点频信号功率 (P1) 步骤 6: 将 marker 移至相位噪声测试的频偏位置, 例如 10kHz 频偏位置 由于 RBW 的 设置需要首先考虑脉冲宽度的要求, 所以最小测试频偏会受到脉冲宽度影响 对频偏位置的噪声边带的功率谱参数进行测试 为得到准确噪声信号的功率谱密度参 数, 需要使用 marker noise 和功率平均 (Power Avg) 功能 打开 Maker Function 按键中的 Marker Noise 测试功能, 这样测试的功率参数为 1Hz 带 宽范围内噪声功率 (dbm/hz), 而不是 RBW 带宽内的信号功率 打开 BW 按键下的平均功能 (Avg), 平均方式为功率平均 (Avg Type::RMS) 这样可 以得到噪声边带信号的稳定功率谱密度读值 (P2) 步骤 7: 单边带相位噪声性能计算 :P2-P1@ 设定的频偏位置 试验 1: 被测信号频率 :5.8GHz, 脉冲宽度 :2ms, 脉冲重复周期 :20ms, 测试仪表 :Agilent MXA 或 PSA 频谱仪 时间门设置 频谱仪扫频状态对脉冲调制信号的测试 ( 频谱仪 RBW< 脉冲重复频率 )

15 时域测试中确定时间门位置 MXA 频谱仪表的时间门参数设置界面 时间门的控制宽度为 :1.5ms 当频谱仪 RBW 大于脉冲调制频谱主瓣宽度情况下, 在频谱仪时域显示状态下, 仪表正确显示脉冲调制信号包络 然后通过时间门设置来确定频谱分析的时间区域 时间门的位置和宽度可以灵活设置 为得到稳定时域包络显示结果, 需要在时域显示中设置触发条件, 时域显示的触发方式可以使用外脉冲触发或内部触发 时域测试中触发信号设置 时间门测试中时域触发来源设置

16 启动时间门测试功能后, 频谱仪显示脉冲开启时间区域内的点频信号频谱, 在这样状态下, 对载波功率进行测试 :P1=5dBm 对噪声边带利用 marker noise 功能测试功率谱密度对于噪声边带信号功率谱密度的测试, 可以使用 marker noise 和功率平均功能进行测试 偏离载波 100kHz 使用功率平均方式 测试噪声平均功率

17 单边带相位噪声测试结果 : 载波信号功率 P1=5Bm, 噪声边带信号功率谱密度 :P2=-105dBm/Hz 相位噪声测试结果 :P2-P1=-110dBc/Hz@100kHz offset 3: 脉冲调制信号相位噪声测试方法总结 针对脉冲调制信号相位噪声测试要求, 采用鉴相测试技术和频谱仪测试技术都能具备脉冲信号相位噪声测试功能 具体应用中需要根据被测件相位噪声性能和脉冲宽度等参数进行选择 Agilent E5505A 相位噪声测试系统和 PSA 系列高性能频谱仪能满足不同类型信号相位噪声的测试应用要求

2017 年 5 月第 36 卷第 5 期 数的包络进行频谱扩展, 受它们和的影响, 载波频率处, 即中心谱线的合成噪声将会增加, 如图 2 所示 图 2 脉冲调制信号相位噪声特性依据取样定理, 偏移载波频率大于 PRF/2 频偏的相位噪声信息将被添加到中心谱线 PRF/2 频偏范围内 当脉宽固定时

2017 年 5 月第 36 卷第 5 期 数的包络进行频谱扩展, 受它们和的影响, 载波频率处, 即中心谱线的合成噪声将会增加, 如图 2 所示 图 2 脉冲调制信号相位噪声特性依据取样定理, 偏移载波频率大于 PRF/2 频偏的相位噪声信息将被添加到中心谱线 PRF/2 频偏范围内 当脉宽固定时 脉冲调制信号相位噪声的测试方法 刘鹏飞崔玉娟马昱超 中国电子科技集团公司第二十七研究所郑州 450047 摘要 : 简单介绍了脉冲调制信号的频谱特性, 然后以 PN9000 相位噪声测试系统和 R&S 公司的 FSWP 相位噪声分析仪为例, 介绍了脉冲调制信号相位噪声测试原理, 测试中解决的问题, 并给出了实际测试结果, 对测试结果进行了分析, 希望对相关人员有一定的帮助 关键词 : 脉冲调制 ;

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