射频信号相位噪声测量不确定度分析

在雷达信号测量中，对连续波信号我们一般用扫频式频谱分析仪对信号频率、功率、谐波分量及相位噪声进行表征。本文着重研究了在利用掃频式频谱仪测量信号相位噪声时，信号谐波分量与相位噪声测量不确定度之间的关系，并通过实验着重验证了三次谐波分量将恶化待测基频信号相位噪声的测试精度。

【关键词】相位噪声 谐波分量 频谱分析仪 不确定度

1 引言

在现代频率源指标测试中，我们常常利用频谱仪测试频率源的功率、谐波、杂散、相位噪声等相关指标。通常我们都认为这些指标都是独立的，并没有相关性。但我们使用的测试系统通常是扫描式频谱分析仪（SA），忽略了仪表中混频器非线性特性对测试结果可能造成的影响。本篇文章将重点分析信号谐波分量对相位噪声测量的影响，并给出了试验结果。

2 原理分析

2.1 频谱仪结构

由图1可以看出，输入信号经过输入衰减器和预选滤波器后，在混频器中，与本地振荡器的本振信号作中频变换，变换后产生一个固定的中频信号，经过中频增益器放大、输入到分辨率带宽滤波器该滤波器决定了分辨率带宽RBW，中频信号在对数放大器中进行压缩，然后通过包络检波器进行包络检波，所得信号称为视频信号。再经视频滤波器来平均化，从而不受噪声影响并且可平滑显示（视频滤波器决定了视频带宽VBW）。滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在屏幕上绘出坐标图，就得出输入信号的频谱图。

考虑到在频谱仪中使用了混频器器件，待测信号的谐波也会与混频器混频产生低频分量。这些低频分量是否会影响真实信号指标的测量，我们需要通过对混频器的交调特性进行分析。

2.2 混频器交调特性分析

对于任何非线性器件，其输入信号和输出信号的关系为：

U0=k0+k1Ui+k2U2i+k3U3i+k4U4i+…… （1）

其中，Ui为输入信号幅度；U0为输出信号幅度；k0、k1、k2、k3、k4为常数。

对于混频器的输入信号，一般都具有谐波分量，为方便计算，我们假设其只具有一个谐波分量，这样我们可以按输入双音信号进行分析计算。

设混频器的输入信号为：

Ui=A1cosωR1t+A2cosωR2t+BcosωLt

其中，A1和A2为输入信号幅度，B为本振信号幅度；ωR1和ωR2为输入信号角频率，ωL为本振信号角频率。

假设ωR1是待测信号的输入频率，ωR2是待测信号的谐波分量，即ωR2=NωR1。

由此可知，当输入信号存在谐波信号时，通过混频器后，一些四阶交调分量可能会演变成所需中频信号的二阶分量。

实际使用中，我们一般采用双平衡混频器、镜像抑制混频器等，这类混频器在所有三个端口之间提供良好的隔离度，并对所有RF和LO信号的偶次谐波频率进行抑制，所以主要是信号的奇次谐波产生的组合频率会演变成所需的中频信号。

2.3 相位噪声分析

通过2.2节分析得知，当待测信号存在谐波分量时，尤其是奇次谐波分量，待测信号通过频谱分析仪中混频器后会在真实的中频信号上叠加一个虚假分量。

假设待测信号存在三次谐波，P1和P3为基波和三次谐波的功率值，n1，f0和n3，f0分别为基波和三次谐波在偏离f0处的相位噪声值，通过混频器后，中频叠加了三次谐波分量的频谱信息（k1、k3分别为基波和三次谐波的变频系数），如图2所示。因此，中频的相位噪声值就由基波及三次谐波的相位噪声矢量叠加而成，其幅度值取决于谐波与基波的相位关系。因此，基波相位噪声测试结果的不确定性就来自谐波分量与基波相位的相对关系。

3 试验测试

为了验证以上分析的正确性，我们拟通过实验来验证上述结论。

在这个试验中，我们拟人为产生待测频率的谐波分量，通过改变谐波分量的相位，观测待测基波分量的相位噪声变化趋势。

我们采用晶体振荡器倍频产生的待测频点800MHz，谐波功率≤-60dBc，利用安捷伦公司的E5052A相位噪声测试仪测得其相位噪声值见表2。

利用倍频器产生800MHz的三次谐波2400MHz，将2400MHz信号通过可变的同轴衰减器和一个同轴移相器（NARDA公司的3752），最后与800MHz通过合成器输入相位噪声测试仪。2400MHz信号和800MHz是产生自同一晶体振荡器，因此两者相位关系应该是相干的，通过移相器改变2400MHz信号的相位（0o～180o）来模拟不同相位的三次谐波，具体联试方案见图3。

通过调整同轴衰减器，使三次谐波分量相对于基波功率值分别为-4dBc、-7dBc、-10dBc、-13dBc、-16dBc，然后通过改变3752移相器的相位值，我们测得五组三次谐波功率下，基波频率的相位噪声测量值。

由图4-a和图4-b可知，偏离载频100Hz和1kHz处的相位噪声波动值在±1dB和±1.5dB间波动，基本上属于仪表测量时的积累的误差，故三次谐波的相对功率大小对测量频偏100Hz和1kHz处的相位噪声结果影响不大。

由图4-c可知，偏离载频10kHz处的相位噪声波动值随着三次谐波功率减小而减小，最大时波动值为±8dB，最小波动值为±1.5dB。

由图4-d可知，偏离载频100kHz处的相位噪声波动值随着三次谐波功率减小而减小，最大时波动值为±6dB，最小波动值为±1dB。

由图4-e可知，偏离载频1MHz处的相位噪声波动值随着三次谐波功率减小而减小，最大时波动值为±5dB，最小波动值为±1dB。

因此，根据表3数据，三次谐波的功率大小直接影响了基波频率相位噪声测量的精度，主要影响频10kHz以上的远端频偏处的相位噪声测试精度，对近端1kHz以内的相位噪声测试影响不大。

之后按照图3的的测试方案，我们又验证了二次、四次及五次谐波分量对基波相位噪声测试精度的影响。根据之前的分析，由于双平衡混频器对偶次谐波分量的抑制作用，二次谐波分量对基波相位噪声测试精度影响值最大约±2dB；而四、五次谐波由于的变频插损较基波和三次谐波的变频插损要大许多，故实测四、五次谐波分量对基波相位噪声测试精度没有明显的影响。

4 结束语

本文通过分析扫频式频谱仪的工作原理及对混频器双音信号的交调特性分析，指出了扫频式频谱仪在测量带有谐波信号的待测信号时，相位噪声值的测量具有不确定性。通过相关试验证明了谐波分量（特别是三次谐波分量）通过混频器后会叠加到基波频率，从而恶化了基波频率相位噪声测试的精度值。

由此也说明了如果通过混频方案测试倍频器或分频器的相位噪声，倍频器或分频器产生的谐波或子谐波也将会严重影响相位噪声测试的精度。

根据以上分析，我们得出了在利用扫频式频谱仪测量相位噪声值的时候，要注意保证待测信号的单音输入，谐波分量（尤其是三次谐波分量）会影响待测信号的相位噪声测试准确度。通过滤波器将谐波分量控制在-20dBc以下，待测信号相位噪声的测试精度将大大提高和稳定。

参考文献

[1]郭崇贤.相控阵雷达接收技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

[2]王笃祥.混频器双音交调特性分析[J].雷达与对抗，2000（03）：32-37.

[3]鲁赟，周波.相位噪声测量方法与试验分析[J].上海电机学院学报，2011，6（14）：417-421.

[4]段志强.频谱仪测量不确定度的研究[J].电子测试，2009（06）：6-12.

[5]AgilentE5052ASignalSourceAnalyzer10MHzto7，26.5，Datasheet.

作者简介

郁金华（1984-），男，江苏省南通市人。硕士研究生。南京电子技术研究所工程师。主要研究方向为雷达接收机技术。

作者单位

南京电子技术研究所 江苏省南京市 210039