串联分配对频率标准源相位噪声的影响

程 明,姜建飞,2

(1.中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江 嘉兴 314033;2.通信信息控制和安全技术国防重点实验室,浙江 嘉兴 314033)

频率标准源,简称频标源(Frequency Standard),可以用作电子战系统统一的时间和频率基准,使系统所获取、记录的数据和时间具有严格统一的时间标准,是电子战系统必不可少的设备,在系统中发挥重要的作用[1]。表征频标源性能的主要指标有:频率准确度、频率稳定度、频率漂移、杂散抑制、信号功率、相位噪声等[2-3]。因原子钟具有极高的精度和长期频率稳定度,因此电子战系统中一般使用高性能的原子钟作为频标源,常用原子钟有铯原子钟、铷原子钟、氢原子钟等,常用频率为5 MHz或者10 MHz,其频率精度≤±5×10-11,长期稳定度≤1×10-9/年,但原子钟的相位噪声一般较差,随着电子技术的飞速发展,现在可以采用锁相恒温晶振锁定原子钟的方式,得到高稳定度、超低相噪的频标源信号[4-6]。频标源是系统统一的时钟和频率基准,每一台单机都需要该基准源,因此常用串联分配的方式对频标源进行分配,分别用作各分系统、单机的频标源。这种串联分配频标源的方式,因具有可拓展性强、灵活度高、省掉一个专用频标功分模块等优点,常常被设计师采用。但是各单机在接入系统分配的频标源后,经常会出现单机相噪性能下降的情况,由于对其原理并不是很清楚,经常出现临时应付,处理不到位的情况,因此研究串联分配对频率源相位噪声的影响,弄清其原理,具有十分重要的应用价值。

1 信号功率与噪声系数对相位噪声的影响

1.1 信号功率

频率标准源信号一般为连续时间信号,并且是周期信号,周期性连续时间信号f t()的功率P定义为:

式中:T为周期;t为时间。

在射频领域常用dBm表示功率的绝对值,其计算公式为:

式中:P为信号功率;常用1W=30dBm。

1.2 噪声系数

噪声系数NF定义为:

式中:SIN/NIN为输入信噪比;SOUT/NOUT为输出信噪比。噪声系数单位为dB。

1.3 相位噪声

相位噪声是指各种随机噪声所引起的瞬时频率或相位起伏。由于相位噪声的存在,在频域中表现为噪声边带连续分布在载波频率的上下边带,在研究问题时只需要考虑一个边带即可,称为单边带相位噪声,美国国家标准局把它定义为偏离载波fm,在1Hz带宽内相位调制边带的功率PSSB与总信号功率PS之比[7]:

相位噪声的单位为:dBc/Hz。

1.4 三者之间的关系

下面以放大器为例说明三者之间的关系,可将功分器、衰减器看做增益为负即可。

放大器输出端信号和噪声有效电压分别为:

式中:G为放大器增益,单位为dB;PS为输入信号功率,单位为dBm;k为玻尔兹曼常数;T为热力学温度,单位为K;B为带宽,单位为Hz;有效值噪声电压产生相位调制,其相角为Δϕrms时,在小角度调制下有:

相位抖动谱密度:

根据相位调制理论和公式(5),可由贝塞尔函数导出相位噪声与相位抖动谱密度的关系[8-9]:

把上式用对数表示:

由上式可知,频标源的相位噪声主要与两个因素相关:

1)分配链路的噪声系数NF。这里的噪声系数是指整个链路的总噪声系数,在串联分配链路中,由于要将信号分成多路并且需要多级,因此整个链路的噪声系数是非常大的,总噪声系数大于30 dB也不少见。

2)信号功率PS。这里与每一级的信号功率息息相关,如果其中某一级的信号功率太小(比如信号功率小于-20 dBm),基底噪声将差于频标源相噪,即使后面再把频标源的信号功率进行放大,该频标源的相噪也会恶化。

2 串联分配的性能分析和仿真

因为频标源是大系统统一的频率和时间基准源,所有的分系统和单机都要用到,因此需要将频标源进行多次分路和传输,再通过电缆接入各个分系统和单机。串联分配方式因具有灵活方便、节省体积等优点,是一种常用的频标源分配方式,多用于单机内部,常见方案如图1所示。

图1 串联分配链路示意图Fig.1 Series distribution link diagram

由于电子战系统非常复杂,因此单机数M可暂时按照M≥10考虑。单机内部下变频模块规模也十分多,模块数量常常超过12个,因此上图中单机下变频模块的数量N≥12。

在仿真和分析之前,首先假定已知如下参数:

1)单机数M=10,模块数N=12;功分器按照10路功分计算,插损为11 dB;单机模块间连接电缆损耗按照2 dB估算;

2)原子钟输出10 MHz,经过锁相恒温晶振后锁定,输出超低相噪的 100 MHz信号,幅度为+14 dBm,相噪为≤-157 dBc/Hz@10 kHz;

3)放大器噪声系数NF=3dB,增益G=13 dB;

4)假定标频输入与输出幅度相等都为0 dBm。下变频模块内部的功分器按照4功分考虑,功分器插损约为7 dB。为了调节模块对外输出的标频幅度,一般需加一衰减器进行调节,假定该衰减器衰减量为4 dB。

可对该串联分配链路的噪声系数和功率进行仿真,仿真结果如下图2～4所示[10]:

由仿真图可知,串联分配链路总NF=27.5 dB,最终频标输出功率为0 dBm。将以上参数代入公式(11)可得第12个模块的输入标频相噪为:

而标频源单机的输出相噪为-157 dBc/Hz@10 kHz,当频标源串联分配到第12个模块时,相噪下降了约15 dB,有比较大的恶化,这将对下变频模块的本振相噪有非常大的影响[11]。

图2 模块内部1级标频分配仿真图Fig.2 One level standard frequency distribution simulation diagram in the module

图3 5级下变频模块串联分配标频仿真图Fig.3 Five level down conversion module series distribution simulation diagram

图4 串联分配标频总仿真图Fig.4 General simulation diagram of series distribution standard frequency

3 实验验证与改进措施

课题组在某机载型号项目上进行了验证,实验条件如下:

1)常温条件下测试;

2)单机数M=12,单机内部下变频模块数N=12,即单机内部频标源串联分配了12次;

3)单机间连接电缆约1.5 m;

4)频率标准源为100 MHz,幅度约为15 dBm,相噪为≤-155 dBc/Hz@10 kHz;

5)下变频模块的频标源输入输出幅度为0～5 dBm。

6)使用信号源分析仪E5052A测试相位噪声;测试结果如图5所示,测试数据如表1。

图5 第12级相噪测试结果图Fig.5 Twelfth stage phase noise test result

表1 串联分配相噪测试表Tab.1 Series distribution phase noise test table

由测试可知,当串联5级和12级时,相噪有了比较大的恶化,此时标频源的相噪不再满足使用要求。

由以上分析和实验可知,标频分配电路的噪声系数和信号功率对相位噪声有直接的影响,当需要对标频源进行多路分配时,串联分配方式往往不满足系统需要,此时不妨采用并联分配方式;但并联分配方式需要单独的标频分配模块,因此增加了成本和体积,这需要在系统设计阶段应该加以考虑。并联分配方式的原理图和仿真图如图6～7所示。

图6 并联分配标频方案图Fig.6 Parallel distribution standard frequency scheme

图7 并联分配仿真图Fig.7 Parallel distribution simulation

由并联分配仿真图可知,并联分配链路总NF=19.48 dB,每一级功率都大于0 dBm。将以上参数带入公式(11)可得下变频模块输入标频相噪为

并联分配后标频相噪相对频标源有3 dB的下降,但基本也可以满足下变频模块的需要。

4 总结

在实际工程应用中,串联分配是系统中比较常见的频标源分配方式,但这种串联分配方式有其局限性,往往导致频标源的相噪产生比较大的恶化。本文阐述了串联分配的基本原理,对串联分配的噪声系数和信号功率进行了仿真,分析了末级相噪的恶化情况。课题组在某机载项目中进行了实验验证和测试,频标源的初始相位噪声为-155 dBc/Hz@10 kHz,经过串联分配后的末级相噪仅有-139.36 dBc/Hz@10 kHz,末级相噪恶化了15 dB以上,严重影响了下变频模块的相噪性能,降低了系统动态范围和解调性能[12-13]。为了解决该问题,课题组提出了一种并联分配方式,经过分析和论证,该并联分配的相噪约为-151 dBc/Hz@10 kHz,基本可以满足系统使用需要,对实际工程应用具有一定指导意义[14-15]。

通过理论分析、仿真和实际测试验证,可得出结论如下:

1)串联分配链路的噪声系数NF和信号功率PS对频率标准源的相位噪声ζ(f)有重要影响;

2)当串联级数较多时,频率标准源的相噪会有较大恶化,不能满足使用要求。此时建议使用并联分配方式。