一種基于數字鎖相環的相位噪聲測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及測試技術領域，特別涉及一種基于數字鎖相環的相位噪聲測量裝置，還涉及一種基于數字鎖相環的相位噪聲測量方法，用于解決晶體振蕩器、DDS、VC0、ΥΤ0、DR0、聲表面振蕩器以及頻率合成器等信號源的高靈敏度、寬測量范圍相位噪聲測試難題，滿足各種電子裝置中信號源的相位噪聲測試需求。
【背景技術】
[0002]相位噪聲是衡量信號源短期頻率穩定性的最重要指標之一，針對晶體振蕩器、DDS、VC0、ΥΤ0、DR0、聲表面振蕩器以及頻率合成器等信號源的相位噪聲測試，在航空航天、國防以及通信領域的應用中起著非常重要的作用。
[0003]目前應用最廣泛的相位噪聲測量方法有三種:直接頻譜法、鑒相法和雙通道互相關法。
[0004]直接頻譜是最簡單最經典的相位噪聲測量技術，在存在載波時直接測量相位噪聲；該方法可以非常方便、快速測量具有相對高噪聲的信號源，但不適合測量靠近載波的相位噪聲。
[0005]鑒相技術是通過移除載波解調后進行相位噪聲測量，常用的解調方式有鎖相環正交鑒相和模擬延遲線鑒頻兩種。鎖相環鑒相方法能夠提供最佳的總體測量靈敏度和最寬的測量范圍，且對AM噪聲不敏感，但是該方法需要一個高性能的調諧參考信號。模擬延遲線鑒頻方法具有較高的遠離載波測量靈敏度，無需使用參考源，但是該方法靠近載波的測量靈敏度降低很多，比較適合測量近端噪聲大、非鎖相信號源的相位噪聲測試。雙通道互相關技術是一種提高相位噪聲測量靈敏度的增強技術，本身并不能獨立實現相位噪聲測量。
[0006]如圖1所示E5052B的相位噪聲測量原理框圖，該測量方案與本發明最為相近，同樣也是采用基于數字鎖相環的相位噪聲測試技術，具體工作原理介紹如下:
[0007]被測源(DUT)輸出信號與內部參考源經混頻器正交鑒相，參考源和被測源的相位噪聲經鑒相轉換成噪聲電壓，通過濾波器濾除混頻之后的和頻分量以及射頻、本振的泄露，經過可控增益的低噪聲放大送往ADC采樣，可以滿足不同噪聲指標信號源的測試需求；放大器的增益設置越大測量靈敏度越高，對應測試的信號源要求越純凈。
[0008]測量模式分為Wide和Normal兩種，Wide工作模式時采用數字延遲線鑒頻技術以滿足VC0、YT0、DR0等非鎖相信號源的測試需求；Normal工作模式采用數字鎖相環鑒相技術以滿足大多數信號源的測試需求。
[0009]圖1所示測量方法是通過數字鎖相環來實現調諧參考源跟蹤被測源，當環路鎖定時通過上述鑒相和鑒頻方式提取被測源的相位噪聲，通過對噪聲電壓信號做基帶分析給出測試結果。
[0010]該方案融合了鎖相環鑒相和延遲線鑒頻兩種主流技術，可以滿足絕大多數信號源的相位噪聲測試需求；實現了 1Hz至100MHz的分析頻偏范圍內相位噪聲測量，能夠區分相位噪聲和調幅噪聲，通過進一步采用雙通道互相關技術可以實現較高的測量靈敏度。
[0011]直接頻譜法雖然測量速度快、成本低，但是測量靈敏度受限于內部本振，不能區分相位噪聲和調幅噪聲，同時在分析頻偏范圍和頻率分辨率上不能兼顧，通常只適合測量噪聲較大的穩定信號源，對于VC0、ΥΤ0等漂移信號源也無法測量。
[0012]雙通道互相關法可以實現很高的相位噪聲測量靈敏度，也降低了對內部參考源的指標要求，但是構建平衡雙通道不僅體積大、成本高，而且采用多次互相關運算也會明顯增加測量時間，通常只是在對相位噪聲測量靈敏度要求較高的場合才會使用。
[0013]E5052B采用融合的方案在許多方面都取得了不錯的性能，能夠提供最佳的總體測量靈敏度和最寬的頻偏測量范圍，測量速度較快、成本適中，能夠滿足絕大數情況的相位噪聲測試需求，因而得到了廣泛的應用。
[0014]但是，E5052B采用的技術方案也有需要進一步完善的地方，環路對電路中存在的直流分量很敏感，直流不僅會影響正交鑒相，也會引起ADC飽和從而導致測量錯誤；環路中無增益調節環節，對被測源的輸入功率有一定要求、功率范圍較窄；閉環時近端增益較低影響近端測量靈敏度，不同被測源對近端和遠端的相位噪聲測量靈敏度要求不同，需要鎖相環針對性的優化，這些也是E5052方案需要進一步優化的地方。

【發明內容】

[0015]為解決上述現有技術的不足，本發明提出一種基于數字鎖相環的相位噪聲測量裝置及方法。
[0016]本發明的技術方案是這樣實現的:
[0017]—種基于數字鎖相環的相位噪聲測量裝置，包括:
[0018]頻率功率測量單元，通過檢波、對數放大和AD轉換完成對被測源的載波功率測量，依據載波功率測量值調整混頻前被測信號功率；通過微波分頻器和計數器級聯組成分頻比可設的分頻電路，利用FPGA對分頻信號進行頻率測量；
[0019]鑒相單元，利用雙平衡混頻器作為鑒相器，當被測源與參考源同頻正交時提取相位噪聲，并將其轉換成電壓信號；
[0020]濾波單元，支持低通濾波和帶通濾波，依據工作模式進行選擇；
[0021]直流偏置補償單元，由參考電路、DA和加法電路組成，通過設置DA輸出來補償環路中存在的直流偏置；
[0022]低噪聲放大單元，由多級低噪聲運算放大電路組成，近端增益大、遠端增益小；
[0023]采集和鑒頻鑒相單元，通過ADC完成對噪聲電壓信號的數據采集，在不同工作模式時選擇不同的鑒相方式，分別以直通、數字延遲相乘的方式來實現鑒相和鑒頻；
[0024]數字環路濾波單元，由CIC抽取濾波器和FIR低通濾波器構成，通過控制相位延遲使數字鎖相環路構成負反饋系統；
[0025]鑒相常數檢測單元，在參考源與被測源相差固定頻率開環時，依據峰值幅度完成鑒相常數測量；
[0026]自適應數字增益控制單元，由一個數字乘法器和除法器構成，依據實際鑒相常數測量值和標準值計算乘法器系數，使直流調頻信號調整至相同幅度；
[0027]參考源單元，由一個內部本振構成，提供鎖相環的參考源；
[0028]信號處理和顯示單元，依據起始終止分析頻偏對噪聲電壓信號進行分段抽取，分段進行FFT運算，將計算結果轉換成單邊帶功率譜密度的形式，以對數方式對其進行顯示和拼接，檢波方式采用均值檢波或均方根檢波。
[0029]可選地，對于穩定信號源選擇鑒相工作模式，在環路鎖定時通過混頻器正交鑒相提取被測源的相位噪聲。
[0030]可選地，直接對鑒相輸出的噪聲信號做基帶分析，依據單邊帶相位噪聲的定義將基帶處理結果轉換成單邊帶相位噪聲。
[0031]可選地，對于噪聲較大的信號源選擇鑒頻工作模式，參考源與被測源固定相差1/4采樣頻率，延遲一個采樣時鐘周期，兩路信號相乘實現數字鑒頻。
[0032]可選地，對鑒頻輸出的噪聲信號做基帶分析，依據頻率抖動功率譜與相位抖動功率譜之間轉化關系，將基帶處理結果轉換成單邊帶相位噪聲的