抗振晶体振荡器相位噪声测试方法的对比研究

陈中平，徐淑壹，贾英茜，王占奎

(1.中国电子科技集团公司第13研究所第16专业部，河北石家庄 050051;2.石家庄学院电气信息工程系，河北石家庄 050035)

在电子系统中，晶体振荡器的相位噪声是一项重要的技术指标，无论是静止还是振动状态都要求进行测试相位噪声性能［1］。对于常规晶体振荡器静止状态下的相位噪声，常规相位噪声测试系统都能准确地进行相位噪声测试。但抗振晶体振荡器振动状态下的相位噪声曲线与常规晶体振荡器有较大不同［2］。如果整机系统直接按常规晶体振荡器的测试方法对抗振晶体振荡器进行测试，测试曲线则有可能不正常。

本文分析了抗振晶体振荡器的相位噪声及其测试方法，通过对比测试发现不同测试系统存在测试结果不同的问题。最终通过系统设置和实验验证，解决了测试结果不正常的问题，使测试结果达到一致。

1 相位噪声的测试方法

目前晶体振荡器相位噪声的测试方法有两种，一种是采用相位检波器法的正交技术，测试原理框图如图1所示［3］。测试时需要一个参考源，被测件被锁定在参考源时才能进行测试，PN8000相位噪声测试系统就是采用正交技术。另一种是采用互相关技术的测试方法，原理框图如图2所示。

被测件的相位噪声可表示为

一方面可以通过增加相关次数NCorrelation消除测试系统的误差，最大限度降低测试系统的影响。另一方面测试时不需要参考源锁定，测试比较方便，且测试速度快。E5052A信号源分析仪的测试方法就是采用互相关技术。

图1 正交技术原理框图

图2 互相关技术原理框图

2 抗振晶体振荡器的相位噪声

常规晶体振荡器振动状态下的相位噪声相对于静止状态会有约50 dB的恶化。所以常规抗振晶体振荡器一般都是采用减振方式对晶体振荡器进行抗振设计，减振器的谐振频率约为30 Hz，降低晶体振荡器远端的相位噪声，从而使抗振晶体振荡器与常规晶体振荡器的动态相位噪声曲线有所不同［2］。在10～100 Hz之间，相位噪声最差，与未减振时差别不大，并且在30 Hz处附近会有谐振放大而恶化。而在100～1000 Hz之间，此部分频偏处的相位噪声每10倍频程相位噪声的变化较大，下降高达50 ～60 dB［2］。

3 对比测试

在相同振动条件下，分别使用E5052A信号源分析仪和PN8000相位噪声测试系统对同一只抗振晶体振荡器进行相位噪声测试，输出频率为100 MHz［4］，测试曲线如图3和图4所示。

图3 E5052A测试曲线

图4 PN8000测试曲线

如图3所示，E5052A信号源分析仪的测试曲线正常，在频偏1 kHz处的动态相位噪声曲线是连续的，为－148 dBc/Hz。但在图5中PN8000相位噪声测试系统的测试曲线明显不正常，在频偏10～400 Hz和1 kHz～1 MHz处，PN8000相位噪声测试系统与E5052A信号源分析仪测试结果一致。而在频偏100 Hz～1 kHz处，频偏1 kHz处的动态相位噪声为－138 dBc/Hz。在频偏1～10 kHz处，频偏1 kHz处的动态相位噪声为－148 dBc/Hz，两处的相位噪声相差10 dB，使频偏1 kHz处的测试曲线呈现台阶状态［5］。

4 实验验证与数据分析

E5052A信号源分析仪的中频增益在所有频偏处设置为固定值，所以系统的噪底不会因为晶体振荡器的相位噪声变差而受到影响，测试结果即为抗振晶体振荡器实际的动态相位噪声。而PN8000相位噪声测试系统在进行相位噪声测试时，每10倍频程为一段，从远端开始逐一测试。初始中频增益自动设置为90 dB。在测试每一频段时首先对噪声进行扫描和评估此段频偏处的相位噪声。如果相位噪声较差时，测试系统则会自动降低该段频偏处的中频增益，否则系统将无法进行测试或测试结果不正常。但由于中频增益的下降此时测试系统的噪底也会相应恶化，测试结果有可能不正常，最终无法准确测量抗振晶体振荡器的相位噪声。

将PN8000相位噪声测试系统的中频增益设置为固定值时，测试100 MHz抗振晶体振荡器静止状态下的相位噪声，测试结果如图5所示，曲线从上至下分别是中频增益为 30 dB、40 dB、50 dB、60 dB、70 dB 和80 dB时的静态相位噪声测试结果。中频增益的降低对系统本底将会恶化，特别是对100 Hz以后的相位噪声的测试影响较大。所以测试系统噪底的恶化将不能准确地测量抗振晶体振荡器的相位噪声。中频增益至少80 dB时才能准确测试此抗振晶体振荡器的静态相位噪声。

在实际测试时，PN8000相位噪声测试系统在测试频偏1 kHz～1 MHz处的相位噪声时，测试系统的中频增益为90 dB。如图5所示，此时1 kHz处测试系统的噪底约为－160 dBc/Hz，比抗振晶体振荡器的实际相位噪声要低，所以图4在频偏1 kHz～1 MHz的1 kHz处的测试数据是实际抗振晶体振荡器的相位噪声，为－148 dBc/Hz。PN8000相位噪声测试系统在进行频偏100 Hz～1 kHz处的相位噪声时，由于100 Hz处的相位噪声较差，测试系统自动将中频增益下降为60 dB。如图5所示，此时100 Hz处测试系统的噪底约为－130 dBc/Hz，比抗振晶体振荡器的实际相位噪声要低，所以PN8000相位噪声测试系统在100 Hz处的测试数据为实际抗振晶体振荡器的相位噪声。在1 kHz处测试系统的噪底约为－140 dBc/Hz，比抗振晶体振荡器的实际相位噪声高，所以图4在频偏100 Hz～1 kHz中，1 kHz处的测试数据是测试系统此时的噪底，约为－138 dBc/Hz。最终导致PN8000相位噪声测试系统测试抗振晶体振荡器的动态相位噪声时，测试曲线呈现台阶状态。

为解决此问题，重新设置PN8000相位噪声测试系统的功能设置。增加PN8000相位噪声测试系统中的噪底优化功能。此噪底优化功能主要是通过将测试系统中测试软件的采样点进行细分，增加采样数据量，降低测试系统的影响。所以增加噪底优化的功能后，可以降低测试系统的噪底，但同时由于数据量增加较大，测试时间将会延长。增加噪底优化的功能后，测试结果如图6所示，中频增益达到60 dB时就能准确测试此抗振晶体振荡器的静态相位噪声［6］。

图5 噪底优化前的静态相位噪声

图6 噪底优化后的静态相位噪声

通过增加优化噪底功能后，测试曲线如图7所示，增加优化噪底功能后，频偏1 kHz处的动态相位噪声为－148 dBc/Hz。消除了测试曲线上此处的台阶状态，与E5052A信号源分析仪的测试结果达成一致。所以，通过增加优化噪底功能可以解决PN8000相位噪声测试系统测试抗振晶体振荡器相位噪声曲线不正常的问题。

图7 噪底优化后的动态相位噪声

5 结束语

本文分析了抗振晶体振荡器的相位噪声及其两种测试方法，通过增加优化噪底功能和对比实验，解决了抗振晶体振荡器在两种测试系统中测试结果不同的问题，使两种测试系统的测试结果达成一致，为分析抗振晶体振荡器和整机系统的动态相位噪声测试问题提供了参考。

［1］ 李秀华，李宏宇.振动状态下频率源特性测试技术研究［J］.宇航计测技术，2001，21(5):9 －17，21.

［2］ XU Shuyi，CHEN Zhongping.Development of an anti－ vibration crystal oscillator for reducing vibration－induced phase noise［C］.Symposium on Piezoelectricity，Acoustic Waves，and Device Applications(SPAWDA)，2011:217 －220.

［3］ 刘红春，刘红运.锁相环在相位噪声测试中的工作机理和影响［J］.封装、测试与设备，2009(8):783－786.

［4］ 陈金燕，王晓飞，黄姣英，等.基于有限元的晶体振荡器PIND振动仿真分析［J］.现代电子技术，2012，35(16):156－159.

［5］ 孙敏，黎敏强，陈中平，等.一种宽温高精度温补晶振的研制［J］.电子科技，2013，26(8):90 －92.

［6］ 迪超，徐东明，陈文宣.可去抖动的时钟脉冲发生器［J］.西安邮电学院学报，2011，16(5):72 －75.