改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置及方法与流程

改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置及方法【技术领域】本发明属于测试仪器领域，具体涉及改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置及方法。【

背景技术：
】时频测控技术在测试计量技术中，甚至在几乎整个高科技领域都起着举足轻重的作用。一方面，它的发展受到国外大企业的高度重视；另一方面，从专业的角度来看时频测控技术，它涵盖的内容越来越广泛，不仅精度越来越高，而且应用的市场也越来越大。时频测控领域包括了时间频率的基准器件、各种频率源、时频信号的测量比对与传输、时间频率信号的处理技术等。频率源作为一种电子设备，输出信号受到内部各种电子噪声的影响，使其频率不是一个恒定值，所以相位噪声是一项重要指标。通过对它的测量与研究，可应用于频率源的设计和提高频率源的质量。随着雷达、通信、导航等现在电子系统的广泛应用和迅速发展，对标准信号使用高精度频率源，特别是对频率源的稳定性提出了越来越高的要求。相位噪声是射频及微波振荡器的一个重要指标，它的好坏直接影响到很多射频及微波系统的性能。不论是做发射激励信号，还是接收机本振信号，相位噪声最终都会在解调后叠加在期望信号上面，引起信噪比下降。在通信系统中使误码率增大，在多普勒雷达系统中，其内置本地振荡器的相位噪声可能会淹没目标信号。在导航定位系统中，会严重影响定位精度。因此，对于相位噪声的测量引起了测试仪器产业界的广泛重视。相位噪声是指由系统内部各种随机噪声所引起的瞬时的频率抖动或相位的起伏，它是信号短期频率稳定度的重要指标，是信号质量的直接体现。对信号的测量可以分别从时域及频域来描述相位噪声，在频域中一般用能够表现信号频谱纯净度的相位噪声谱密度函数来表征相位噪声，函数表现出的频谱纯净度越高表明相位噪声越小；而表现形式为频率平均值随机起伏的阿伦方差则被用于相位噪声的时域表征。目前应用广泛的相位噪声测试技术是鉴相法，如安捷伦公司的E5500系统等产品。采用该方法的优点是灵敏度高于其他方法，如鉴频法、直接频谱法等。但是，鉴相法很难测试稳定度低的信号源。因此，特定场景下，还是需要采用鉴频法。传统的鉴相法存在延迟线损害过大的缺点。最近有研究改变为中频延迟线使测试灵敏度得到很大改善。然而其采用了两个鉴相器支路，引入到系统的误差变大且影响灵敏度。传统的基于延迟线的鉴频法中，待测信号源输出的信号经过功分器后分为两路，一路信号通过延迟线，另外一路信号通过移相器。然后，信号进入到鉴相器，延迟线作为鉴频器使用，移相器要保证鉴相器输入的信号满足正交条件。从而，鉴相器的输出与待测信号源的频率波动成正比。传统的鉴频法的主要缺点是测量灵敏度受到延迟线的限制。延迟线越长测量灵敏度越高，但是延迟线越长导致信号的损耗越大，信号的损耗越大测量灵敏度越低。另外，延迟线的损耗会随着待测信号源的频率升高而变大。从而，当测试信号源频率高时(例如测试毫米波信号源)，灵敏度会大大降低。A.S.Barzegar等人2016年7月提出了一种中频延迟线鉴频方法，其成果发表在《IEEEMicrowaveandwirelesscomponetsletters》上面。该方法首先把射频(微波)信号源下变频到中频，然后再采用延迟线方法。由于中频信号的频率一般采用几十MHz，传输线损耗相对于射频(微波)信号大大降低，从而可以使用更长的延迟线。这里要特别注意：该方法与鉴相法的区别，该方法的本振信号源不需要锁定待测信号源。中频延迟线鉴频方法具有以下缺点：系统比传统的鉴相法多了一个支路，其包括功分器及混频等，这些器件的引入进一步加大了系统的误差，且其复杂度及成本进一步加大。同时，延迟线加长后系统灵敏度提高，但是测试相位噪声的频偏变小。【

技术实现要素：
】本发明的目的是提供一种改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置及方法，以解决现有技术中的复杂度及成本高、系统误差大精度低以及可测量频偏的范围小的问题。本发明所采用的第一种技术方案是，改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置，包括混频滤波单元，混频滤波单元连接功分器的输入端，功分器的输出端通过移相器和延迟线单元分别连接至同一鉴相器的输入端，鉴相器的输出端与滤波放大单元连接，滤波放大单元还通过模数转换器连接至处理器；延迟线单元包括与功分器输出端连接的第一射频开关，第一射频开关还通过并联的第一延迟线和第二延迟线与第二射频开关连接，第二射频开关还连接至鉴相器的输入端；混频率波单元用于将待测合成信号源和本机信号源进行混频，并将混频后的信号进行过滤，以得出所需的信号；第一射频开关和第二射频开关用于在第一延迟线和第二延迟线之间进行线路切换；处理器用于根据采用不同延迟线时所测得的不同频偏，得出最终测量数据。进一步地，混频滤波单元包括输入端分别连接有待测合成信号源和本机信号源的混频器，混频器的输出端连接至带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端与功分器的输入端连接。进一步地，滤波放大单元包括与鉴相器输出端连接的低通滤波器，低通滤波器的输出端连接至低噪声放大器的输入端，低噪声放大器的输出端与模数转换器连接。进一步地，本机信号源与待测合成信号源的差频为10MHz-100MHz。本发明采用的第二种技术方案是，改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试方法，包括上述的改进的基于中频延迟线鉴频法的相位噪声测试装置，并按照以下步骤实施：步骤一、将待测合成信号源与本机信号源通过混频器进行混频，并将混频后的信号送入带通滤波器，调整带通滤波器的中心频率，得出过滤后的信号s2(t)，并将其送入功分器，其中t表示时间；步骤二、通过功分器将信号s2(t)分为两路输出：一路信号依次经过第一射频开关、第一延迟线、第二射频开关得到信号s3A(t)；另一路信号经过移相器得到信号s3B(t)，将两路信号均依次送入鉴相器、低通滤波器、低噪声放大器，得出处理后的信号s4(t)；步骤三、将步骤二中得出的信号s4(t)的参数进行调整，并经过模数转换器转换成数字信号得出在使用第一延迟线时测出的瞬时频偏量化值ΔV1，保存至处理器中；步骤四、将第一射频开关和第二射频开关均切换到第二延迟线后，重复执行上述步骤二至步骤三，得出装置在使用第二延迟线时测出的瞬时频偏量化值ΔV2；处理器根据测量频偏的不同，得出最终测量出的相位噪声。进一步地，步骤一中的信号s2(t)通过公式得出，步骤二中的信号s3A(t)通过公式得出，步骤二中的信号s3B(t)通过公式得出，步骤二中的信号s4(t)通过公式得出；其中，V0为信号的振幅，π为圆周率，f0为信号的频率，fm为信号的最大可测量的相位噪声的频偏，τ1为第一延迟线的时延，Δf为测试频偏，φ为相移器的相移值，Kφ为鉴相器的鉴相常数。进一步地，步骤三中参数调整具体方法为：调整各个参数使其同时满足-2πf0τ1+φ＝π/2、和时，得出其经模数转换器转换后的瞬时频偏量化值为ΔV1≈Kφ12πτ1Δf1，其中，Kφ1为使用第一延迟线时的鉴相器的鉴相常数，Δf1为使用第一延迟线时的测试频偏。进一步地，步骤四中得出最后测量数据的具体方法为：当测试频偏Δf＜1/τ1时，所测量的瞬时频偏量化值为ΔV1≈Kφ12πτ1Δf1，当测试频偏Δf≥1/τ1时，所测量的瞬时频偏量化值为ΔV2≈Kφ22πτ2Δf2；其中Kφ2为使用第二延迟线(8)时的所述鉴相器(11)的鉴相常数，τ2为第二延迟线(8)时延，Δf2为使用第二延迟线(8)是的测试频偏。进一步地，本机信号源与待测合成信号源的差频为10MHz-100MHz。本发明的有益效果是：通过将频率较高的待测信号经过下变频后变换带中频，然后再对中频信号采用基于延迟线的鉴相法，一方面得到了中频延迟线的优点，另外一方面系统的复杂度及成本降低，同时，本发明引入的系统误差变小，提高了测量精度，且中频延迟线采用两种不同长度的延迟线，分别进行测...