一种基于数字锁相环的相位噪声测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种基于数字锁相环的相位噪声测量装置，还涉及一种基于数字锁相环的相位噪声测量方法，用于解决晶体振荡器、DDS、VC0、ΥΤ0、DR0、声表面振荡器以及频率合成器等信号源的高灵敏度、宽测量范围相位噪声测试难题，满足各种电子装置中信号源的相位噪声测试需求。
【背景技术】
[0002]相位噪声是衡量信号源短期频率稳定性的最重要指标之一，针对晶体振荡器、DDS、VC0、ΥΤ0、DR0、声表面振荡器以及频率合成器等信号源的相位噪声测试，在航空航天、国防以及通信领域的应用中起着非常重要的作用。
[0003]目前应用最广泛的相位噪声测量方法有三种:直接频谱法、鉴相法和双通道互相关法。
[0004]直接频谱是最简单最经典的相位噪声测量技术，在存在载波时直接测量相位噪声；该方法可以非常方便、快速测量具有相对高噪声的信号源，但不适合测量靠近载波的相位噪声。
[0005]鉴相技术是通过移除载波解调后进行相位噪声测量，常用的解调方式有锁相环正交鉴相和模拟延迟线鉴频两种。锁相环鉴相方法能够提供最佳的总体测量灵敏度和最宽的测量范围，且对AM噪声不敏感，但是该方法需要一个高性能的调谐参考信号。模拟延迟线鉴频方法具有较高的远离载波测量灵敏度，无需使用参考源，但是该方法靠近载波的测量灵敏度降低很多，比较适合测量近端噪声大、非锁相信号源的相位噪声测试。双通道互相关技术是一种提高相位噪声测量灵敏度的增强技术，本身并不能独立实现相位噪声测量。
[0006]如图1所示E5052B的相位噪声测量原理框图，该测量方案与本发明最为相近，同样也是采用基于数字锁相环的相位噪声测试技术，具体工作原理介绍如下:
[0007]被测源(DUT)输出信号与内部参考源经混频器正交鉴相，参考源和被测源的相位噪声经鉴相转换成噪声电压，通过滤波器滤除混频之后的和频分量以及射频、本振的泄露，经过可控增益的低噪声放大送往ADC采样，可以满足不同噪声指标信号源的测试需求；放大器的增益设置越大测量灵敏度越高，对应测试的信号源要求越纯净。
[0008]测量模式分为Wide和Normal两种，Wide工作模式时采用数字延迟线鉴频技术以满足VC0、YT0、DR0等非锁相信号源的测试需求；Normal工作模式采用数字锁相环鉴相技术以满足大多数信号源的测试需求。
[0009]图1所示测量方法是通过数字锁相环来实现调谐参考源跟踪被测源，当环路锁定时通过上述鉴相和鉴频方式提取被测源的相位噪声，通过对噪声电压信号做基带分析给出测试结果。
[0010]该方案融合了锁相环鉴相和延迟线鉴频两种主流技术，可以满足绝大多数信号源的相位噪声测试需求；实现了 1Hz至100MHz的分析频偏范围内相位噪声测量，能够区分相位噪声和调幅噪声，通过进一步采用双通道互相关技术可以实现较高的测量灵敏度。
[0011]直接频谱法虽然测量速度快、成本低，但是测量灵敏度受限于内部本振，不能区分相位噪声和调幅噪声，同时在分析频偏范围和频率分辨率上不能兼顾，通常只适合测量噪声较大的稳定信号源，对于VC0、ΥΤ0等漂移信号源也无法测量。
[0012]双通道互相关法可以实现很高的相位噪声测量灵敏度，也降低了对内部参考源的指标要求，但是构建平衡双通道不仅体积大、成本高，而且采用多次互相关运算也会明显增加测量时间，通常只是在对相位噪声测量灵敏度要求较高的场合才会使用。
[0013]E5052B采用融合的方案在许多方面都取得了不错的性能，能够提供最佳的总体测量灵敏度和最宽的频偏测量范围，测量速度较快、成本适中，能够满足绝大数情况的相位噪声测试需求，因而得到了广泛的应用。
[0014]但是，E5052B采用的技术方案也有需要进一步完善的地方，环路对电路中存在的直流分量很敏感，直流不仅会影响正交鉴相，也会引起ADC饱和从而导致测量错误；环路中无增益调节环节，对被测源的输入功率有一定要求、功率范围较窄；闭环时近端增益较低影响近端测量灵敏度，不同被测源对近端和远端的相位噪声测量灵敏度要求不同，需要锁相环针对性的优化，这些也是E5052方案需要进一步优化的地方。
【发明内容】
[0015]为解决上述现有技术的不足，本发明提出一种基于数字锁相环的相位噪声测量装置及方法。
[0016]本发明的技术方案是这样实现的:
[0017]—种基于数字锁相环的相位噪声测量装置，包括:
[0018]频率功率测量单元，通过检波、对数放大和AD转换完成对被测源的载波功率测量，依据载波功率测量值调整混频前被测信号功率；通过微波分频器和计数器级联组成分频比可设的分频电路，利用FPGA对分频信号进行频率测量；
[0019]鉴相单元，利用双平衡混频器作为鉴相器，当被测源与参考源同频正交时提取相位噪声，并将其转换成电压信号；
[0020]滤波单元，支持低通滤波和带通滤波，依据工作模式进行选择；
[0021]直流偏置补偿单元，由参考电路、DA和加法电路组成，通过设置DA输出来补偿环路中存在的直流偏置；
[0022]低噪声放大单元，由多级低噪声运算放大电路组成，近端增益大、远端增益小；
[0023]采集和鉴频鉴相单元，通过ADC完成对噪声电压信号的数据采集，在不同工作模式时选择不同的鉴相方式，分别以直通、数字延迟相乘的方式来实现鉴相和鉴频；
[0024]数字环路滤波单元，由CIC抽取滤波器和FIR低通滤波器构成，通过控制相位延迟使数字锁相环路构成负反馈系统；
[0025]鉴相常数检测单元，在参考源与被测源相差固定频率开环时，依据峰值幅度完成鉴相常数测量；
[0026]自适应数字增益控制单元，由一个数字乘法器和除法器构成，依据实际鉴相常数测量值和标准值计算乘法器系数，使直流调频信号调整至相同幅度；
[0027]参考源单元，由一个内部本振构成，提供锁相环的参考源；
[0028]信号处理和显示单元，依据起始终止分析频偏对噪声电压信号进行分段抽取，分段进行FFT运算，将计算结果转换成单边带功率谱密度的形式，以对数方式对其进行显示和拼接，检波方式采用均值检波或均方根检波。
[0029]可选地，对于稳定信号源选择鉴相工作模式，在环路锁定时通过混频器正交鉴相提取被测源的相位噪声。
[0030]可选地，直接对鉴相输出的噪声信号做基带分析，依据单边带相位噪声的定义将基带处理结果转换成单边带相位噪声。
[0031]可选地，对于噪声较大的信号源选择鉴频工作模式，参考源与被测源固定相差1/4采样频率，延迟一个采样时钟周期，两路信号相乘实现数字鉴频。
[0032]可选地，对鉴频输出的噪声信号做基带分析，依据频率抖动功率谱与相位抖动功率谱之间转化关系，将基带处理结果转换成单边带相位噪声的