專利名稱：一種雙通道數(shù)字化相位噪聲檢測裝置及相位噪聲檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及噪聲檢測裝置，特別是涉及一種雙通道數(shù)字化相位噪聲測量裝置及相位噪聲檢測方法，應(yīng)用于導(dǎo)航定位、雷達(dá)系統(tǒng)等對振蕩源要求較高的相位噪聲測試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前市場上的相位噪聲測量裝置主要包括引進(jìn)的HP3047A、HP3048A、E5500系列及PN9000等，這些測量裝置以模擬技術(shù)為主，其組成主要包括檢相器、鎖相環(huán)路、低噪聲放大器、數(shù)據(jù)采集和計算機(jī)。相位噪聲對通信系統(tǒng)或雷達(dá)系統(tǒng)的性能影響至關(guān)重要，它限制了導(dǎo)航定位的精度，減小了雷達(dá)的作用范圍，降低了通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，因此，將一個振蕩源集成到這些系統(tǒng)前，首先要對其相位噪聲指標(biāo)進(jìn)行精確測量。常用的裝置存在以下問題1)直接用頻譜儀搭建的測試系統(tǒng)，缺點是頻譜儀內(nèi)部本振的相位噪聲限制測量系統(tǒng)的噪聲底部，此外，由于頻譜儀無法區(qū)分振幅噪聲與相位噪聲，因此，當(dāng)振幅噪聲與相位噪聲相比較大時，將導(dǎo)致測量結(jié)果錯誤；2)雙混頻電路或延遲線測試系統(tǒng)，缺點是需要一個與待測源同頻率的高精度參考源，此外，需要對傅立葉頻率進(jìn)行校正，操作復(fù)雜，不能實時檢測；3)基于單振蕩源鑒頻技術(shù)，缺點是由于采用了調(diào)頻噪聲檢測而非調(diào)相噪聲檢測技術(shù)，造成系統(tǒng)相位噪聲本底較大，尤其是在近載頻處相位本底噪聲大。

發(fā)明內(nèi)容
為改善以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種雙通道正交數(shù)字化相位噪聲測量裝置及相位噪聲檢測方法，以解決高精度振蕩源相位噪聲的實時、準(zhǔn)確測量問題。該裝置采用模塊化設(shè)計方法，使系統(tǒng)升級便利、性能可靠。與傳統(tǒng)測試方法相比，不需要對傅立葉頻率進(jìn)行校正、定標(biāo)等操作，解決了傳統(tǒng)方法要求與待測源同頻率、正交的參考源，選用一個高精度的參考源，即可準(zhǔn)確測量較寬頻率范圍的待測信號。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種雙通道數(shù)字化相位噪聲檢測裝置，該裝置包括90°功分模塊,本振模塊,對輸入信號的同相分量進(jìn)行米樣的A/D米樣模塊3A,對輸入信號的正交分量進(jìn)行采樣的A/D采樣模塊3B，下變頻單元和相位解調(diào)模塊，所述90°功分模塊的兩輸出端分別與A/D米樣模塊3A、A/D米樣模塊3B的輸入端連接,所述本振模塊分別與A/D采樣模塊3A和A/D采樣模塊3B的另一輸入端連接以提供時鐘信號，所述A/D采樣模塊3A、A/D采樣模塊3B和本振模塊的信號輸出給下變頻單元，該下變頻單元對信號進(jìn)行變頻、降采樣率及濾波處理，所述處理的信號輸出至相位解調(diào)模塊9。進(jìn)一步，所述下變頻單元包括數(shù)字頻綜模塊4A、4B、數(shù)字混頻器5A、5B和抽取濾波模塊7A、7B、8A、8B以實現(xiàn)對輸入的數(shù)字化信號的變頻、降采樣率及濾波處理；其中相互連接的數(shù)字頻綜模塊4A、數(shù)字混頻器(5A)和抽取濾波模塊(7A)構(gòu)成第一下變頻單元；相互連接的數(shù)字頻綜模塊(4A)、數(shù)字混頻器(m和抽取濾波模塊(8A)構(gòu)成第二下變頻單元；相互連接的數(shù)字頻綜模塊(4B)、數(shù)字混頻器(5B)和抽取濾波模塊(7B)構(gòu)成第三下變頻單元；相互連接的數(shù)字頻綜模塊(4B)、數(shù)字混頻器^B)和抽取濾波模塊(SB)構(gòu)成第四下變頻單元。一種雙通道數(shù)字化相位噪聲檢測方法，該方法包括如下步驟I)將輸入的IMHz至IOOMHz的待測信號輸入至90°功分模塊進(jìn)行處理，得到與輸入信號同相和正交的兩路信號，該同相和正交信號分別由采樣模塊根據(jù)本振時鐘信號進(jìn)行采樣； 2)對采樣后的同相I分量和正交Q分量分別與DDS輸出信號進(jìn)行 混頻，利用科斯塔斯環(huán)路實現(xiàn)數(shù)字下變頻處理；3)將經(jīng)過下變頻處理的信號輸入至相位解調(diào)模塊進(jìn)行處理，得到待測信號與本振信號的相位差；4)將待測信號換成參考源，重復(fù)上述步驟1-3，得到參考源與本振信號的相位差；5)將步驟3與步驟4得到的兩次相位差相減，得到待測信號與參考源的相位差。本發(fā)明的優(yōu)點在于I、全數(shù)字化測試系統(tǒng)不需要與待測源同頻、正交的參考源，因此，輸入頻率可覆蓋I-IOOMHz范圍任意頻點，能實現(xiàn)近載頻相位噪聲的測量；2、數(shù)字濾波器，特性固定，不需要相位檢波校準(zhǔn)和低噪聲放大器，使系統(tǒng)測量不確定度減??；3、省去了定標(biāo)、鎖定等測試環(huán)節(jié)，通過幾個按鍵操作，即得到實時測量結(jié)果，操作簡易、測量裝置性價比高。


圖I :一種雙通道數(shù)字化相位噪聲檢測裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施例方式如圖I所示為一種雙通道數(shù)字化相位噪聲檢測裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，該裝置主要包括90°功分模塊1，本振模塊2，對信號源的同相分量進(jìn)行采樣的A/D模塊3A，對信號源的正交分量進(jìn)行采樣的A/D采樣模塊3B，數(shù)字頻綜4A (DDSl)和4B (DDS2)，信號源同相分量數(shù)字混頻器5A和5B，信號源正交分量數(shù)字混頻器6A和6B，信號源同相分量數(shù)字通道抽取濾波器7A和7B，信號源正交分量數(shù)字通道抽取濾波器8A和SB，相位差信號解調(diào)提取模塊9，計算機(jī)圖形界面結(jié)果顯示10等。所述90°功分模塊I完成對輸入信號的自動增益，以提高接收信號的動態(tài)范圍，并生成兩路相互正交的信號分別送入兩路高分辨率A/D采樣模塊3A和3B進(jìn)行采樣處理；本振模塊2作為A/D采樣模塊3A和3B的時鐘輸入源，由倍頻及濾波電路組成，由于采樣率較高，時鐘的相位抖動會引起整個數(shù)字采樣的信噪比下降，因此，對時鐘倍頻電路進(jìn)行濾波，以減少采樣時鐘的抖動；采樣模塊3A和3B將90°功分模塊I輸出的兩路正交信號進(jìn)行米樣，得到與輸入信號同相及正交的兩路米樣信號，A/D米樣的有效位數(shù)對輸入時鐘的抖動非常敏感，造成采樣時的孔徑誤差，采用同相、正交雙通道采樣方法，使得整個采樣期間，每當(dāng)其中一個通道采樣信號質(zhì)量差時，同一時刻另一個通道必能提供高質(zhì)量采樣信號，能更加精確地表示采樣時鐘的抖動造成的孔徑誤差。所述數(shù)字混頻器5A、5B、6A、6B，數(shù)字頻綜模塊4A、4B，抽取濾波單元7A、7B、8A、8B等部分分別組成4個數(shù)字可編程下變頻單元。其中相互連接的數(shù)字頻綜模塊(4A)、數(shù)字混頻器(5A)和抽取濾波模塊(7A)構(gòu)成下變頻單元I ;相互連接的數(shù)字頻綜模塊(4A)、數(shù)字混頻器(M)和抽取濾波模塊(8A)構(gòu)成下變頻單元2 ;相互連接的數(shù)字頻綜模塊(4B)、數(shù)字混頻器(5B)和抽取濾波模塊(7B)構(gòu)成下變頻單元3 ;相互連接的數(shù)字頻綜模塊(4B)、數(shù)字混頻器^B)和抽取濾波模塊(SB)構(gòu)成下變頻單元4。四個下變頻單元分別完成量化信號的變頻、降采樣率及濾波等處理，對不同頻段的信號采用不同的抽樣率，從而避免抽樣率過高而造成數(shù)據(jù)的冗余，得到下變頻到零中頻的低采樣率輸出信號。相位解調(diào)模塊9由數(shù)字信號處理器實現(xiàn)，完成基帶信號相位噪聲解調(diào)算法及頻偏補(bǔ)償算法 ；最后，相位解調(diào)數(shù)據(jù)通過PCI接口輸出到x86計算機(jī)10進(jìn)行結(jié)果顯示。下面對雙通道數(shù)字化相位噪聲測量方法進(jìn)行說明，該方法的具體步驟為
I.對輸入待測信號進(jìn)行雙通道、高速、高分辨率數(shù)字化采樣帶寬為2MHz，覆蓋IMHz至IOOMHz范圍的輸入信號經(jīng)過模擬電路放大、增益控制、抗混疊帶通濾波后，根據(jù)本振時鐘信號對輸入的模擬進(jìn)行采樣，由于測量時儀器的本底噪聲抵消，因此，A/D數(shù)字化時的噪聲造成了測量系統(tǒng)的噪聲極限，采取差分輸入，低壓差分輸出模式，然后利用90°功分模塊將待測信號分為與輸入信號同相(I通道)及正交(Q通道)的雙通道信號進(jìn)行采樣，可大幅提高A/D采樣的信噪比。2.利用可編程邏輯器件對采樣信號進(jìn)行數(shù)字下變頻處理采樣后的數(shù)字信號與本振信號的同相I分量和正交Q分量分別進(jìn)行混頻，利用科斯塔斯環(huán)路實現(xiàn)數(shù)字下變頻，以利于數(shù)字信號處理器進(jìn)行實時計算。對輸入信號頻率進(jìn)行捕獲和跟蹤，對不同頻段的信號采用不同的抽樣率，從而避免抽樣率過高而造成數(shù)據(jù)的冗余。抽取濾波時，采用CIC濾波及HB濾波級聯(lián)實現(xiàn)第一級抽取，然后利用FIR濾波進(jìn)行低通濾波和抽取，根據(jù)輸入信號配置相應(yīng)的抽取參數(shù)。3.待測信號與本振信號相位差的解調(diào)第一路AD通道的米樣信號與DDSl輸出混頻、濾波后產(chǎn)生的信號為I1A、Q1A，第二路AD通道的采樣信號與DDS2混頻、濾波后產(chǎn)生的信號為I1B、Q1B，計算arctan ()，得到待
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測信號與本振信號相位差。DDS相當(dāng)于一個數(shù)字鎖相環(huán)，通過重復(fù)不斷地鑒別輸入與輸出之間的本振相位差異，從而不斷調(diào)整輸出信號的頻率，最終復(fù)制出與輸入信號相位差恒定的信號，即達(dá)到鎖定狀態(tài)。鎖定狀態(tài)時，數(shù)字環(huán)路濾波的鑒相結(jié)果可以近似為一條直線。當(dāng)數(shù)字頻綜鎖定到待測信號時所產(chǎn)生的線性漂移項將影響相位噪聲的提取，因此，將待測信號與本振的相位差進(jìn)行最小二乘擬合后將測量值減去直線成分，剩余成分即為待測源的包含了 A/D米樣噪聲和時鐘本底噪聲的隨機(jī)相位噪聲。4.待測源與參考源相位差解調(diào)將輸入的待測信號換成參考源重復(fù)上面的第一步至第三步，可得到參考源的包含了采樣噪聲和時鐘本底噪聲的隨機(jī)相位，將兩次得到的隨機(jī)相位相減，可消掉儀器的本底噪聲，得到待測信號與參考信號的相位差信號，進(jìn)行傅立葉變換可求得相位噪聲功率譜密度及單邊帶相位噪聲。
應(yīng)當(dāng)理解，以上借助優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行的詳細(xì)說明是示意性的而非限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明說明書的基礎(chǔ)上可以對各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神 和范圍。
權(quán)利要求
1.一種雙通道數(shù)字化相位噪聲檢測裝置，其特征在于，該裝置包括 90°功分模塊(1)，本振模塊(2)，對輸入信號的同相分量進(jìn)行采樣的A/D采樣模塊(3A)，對輸入信號的正交分量進(jìn)行采樣的A/D采樣模塊(3B)，下變頻單元和相位解調(diào)模塊(9),所述90°功分模塊的兩輸出端分別與A/D米樣模塊(3A)、A/D米樣模塊(3B)的輸入端連接，所述本振模塊分別與A/D采樣模塊(3A)和A/D采樣模塊(3B)的另一輸入端連接以提供時鐘信號，所述A/D采樣模塊(3A)、A/D采樣模塊(3B)和本振模塊的信號輸出給下變頻單元，該下變頻單元對信號進(jìn)行變頻、降采樣率及濾波處理，所述處理的信號輸出至相位解調(diào)模塊(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種雙通道數(shù)字化相位噪聲檢測裝置，其特征在于，所述下變頻單元包括數(shù)字頻綜模塊(4A、4B)、數(shù)字混頻器(5A、5B)和抽取濾波模塊(7A、7B、8A、8B)以實現(xiàn)對輸入的數(shù)字化信號的變頻、降采樣率及濾波處理；其中相互連接的數(shù)字頻綜模塊(4A)、數(shù)字混頻器(5A)和抽取濾波模塊(7A)構(gòu)成第一下變頻單元；相互連接的數(shù)字頻綜模塊(4A)、數(shù)字混頻器(6A)和抽取濾波模塊(8A)構(gòu)成第二下變頻單元；相互連接的數(shù)字頻綜模塊(4B)、數(shù)字混頻器(5B)和抽取濾波模塊(7B)構(gòu)成第三下變頻單元；相互連接的數(shù)字頻綜模塊(4B)、數(shù)字混頻器^B)和抽取濾波模塊(SB)構(gòu)成第四下變頻單元。
3.一種雙通道數(shù)字化相位噪聲檢測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 O將輸入的IMHz至IOOMHz的待測信號輸入至90°功分模塊進(jìn)行處理，得到與輸入信號同相和正交的兩路信號，該同相和正交信號分別由采樣模塊根據(jù)本振時鐘信號進(jìn)行采樣； 2)對采樣后的同相I分量和正交Q分量分別與DDS輸出信號進(jìn)行混頻，利用科斯塔斯環(huán)路實現(xiàn)數(shù)字下變頻處理； 3)將經(jīng)過下變頻處理的信號輸入至相位解調(diào)模塊進(jìn)行處理，得到待測信號與本振信號的相位差； 4)將待測信號換成參考源，重復(fù)上述步驟1-3，得到參考源與本振信號的相位差； 5)將步驟3與步驟4得到的兩次相位差相減，得到待測信號與參考源的相位差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙通道數(shù)字化相位噪聲測量裝置及相位噪聲檢測方法，通過對輸入1MHz至100MHz正弦信號進(jìn)行功分移相后，利用雙通道正交采樣及數(shù)字信號處理技術(shù)，實現(xiàn)相位噪聲的實時提取，解決了傳統(tǒng)的測量方法中需要對傅里葉頻率校準(zhǔn)及定標(biāo)等測試環(huán)節(jié)，也不需要與待測源同頻率、正交的參考源，選用一個固定的參考源，即可實時、準(zhǔn)確測量待測源與參考源的相位差。
文檔編號G01R29/26GK102768302SQ20121024935
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者尚林, 李世光, 楊晨, 沈婷梅, 王亮 申請人:北京無線電計量測試研究所