基于相位噪声测试系统的频率稳定度测量方法

叶玲玲 石明华 沈小青 楼杨 中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431

基于相位噪声测试系统的频率稳定度测量方法

叶玲玲 石明华 沈小青 楼杨 中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431

介绍了基于相位噪声测试系统的时域频率稳定度测量原理和方法，主要解决传统测量时域短期频率稳定度的高附加相位噪声影响，提高了短期频率稳定度的测量精度，实现了低附加相位噪声的频率稳定度测量。

频率稳定度；测量；相位噪声

Frequency stab；ilityMeasurem；en tPhase Noise

前言

频率稳定度按观测域的不同，分为时域频率稳定度（简称频率稳定度）和频域频率稳定度(通称相位噪声)。随着通信、雷达等高科技的发展，频率稳定度和相位噪声往往成为系统性能的限制性因素，成为整机系统、频率源、多种两端口频率控制和变换部件设计中必须认真考虑的性能指标。在目前的相位噪声测试装置中，法国的PN9000相位噪声测试系统[1]（下称PN9000）是其中的佼佼者。本文主要探讨该系统在时域频率稳定度测量中的应用。

1 测量系统简介

PN9000是模块化的测量系统，相关测量部件都以模块形式插在主机箱内。根据参考源、频率范围和信号分析的需要，系统可进行不同的配置。其基本系统由机箱、五个基本模块、电脑、IEEE接口、电脑主机箱内的数字转换板和测量软件组成。

2 频率稳定度分类及测量

频率稳定度指由于频率源内部噪声引起的频率取样值的随机起伏，是描述平均频率随机变化的量，平均时间即采样时间。信号的频率稳定度是时域内频率f(t)相对于中心频率f0的稳定性表征参数，如（1）式所示。间接测量阿伦方差[5]，即采用频域到时域变换的测量，有本底相位噪声低的优点，非常适合毫秒级的短稳测量。而对于长稳，PN9000则采用“参考源频偏”法在时域中直接测量阿伦方差，需要选用PN3100选件才能完成这种测量。

2.1 PN9000对短稳的测量

2.1.1 测量原理

相噪理论和统计学认为，频域的相位噪声和时域的短稳（阿伦方差）是等效的[4]，可以根据相位噪声谱密度换算到阿伦方差，如（2）式所示：

f0是载波中心频率，T是稳定度时间，Sφ(f)是频偏为f时的相位噪声谱密度。

按(2)式，理论上从相位噪声换算到阿伦方差的积分区间应从0至无穷大，这意味着PN9000的相噪频偏分析范围也应从偏离载波0至无穷远，但对于实际测量系统是做不到的。因此从相位噪声测量结果计算频率稳定度[5]有个频率下限和上限的选择问题。PN9000应该选择合理的积分区间，既保证运算结果的误差范围在允许范围内，又保证系统可实现这种测量。频率下限由规定频率稳定度指标所在的时间段T决定。频率上限选取保证对平坦的频率抖动在高频端的收敛，因为多数信号源由于热噪声贡献，在高频率偏移处的相位噪声呈平坦状。

通常认为，积分起始点fc应选为:

T是短稳时间。积分结束点理论上越远越好，一般来说选为1MHz即可保证准确度。PN9000的测试本底（测试灵敏度）如表1所示：

频率稳定度最常用的表达式是阿伦方差。根据稳定度时间的长短，分为短期稳定度，如1ms、10ms、100ms、1s稳定度等，中长期稳定度，如1s、10s ,……,10000s稳定度等。

噪声对频标输出频率的干扰往往不是表现在频率值变化上，而是表现为对输出信号的干扰，也就是表现为相位噪声，通常认为相位噪声就是短期频率稳定度[2]的频域表征方式。而频率源长期频率稳定度和相位噪声无太多联系[3]。

传统的稳定度测量常用频差倍增测频法，但由于频差倍增器结构复杂，产生的附加噪声来源多，如104倍增要经过五次倍频、四次混频、滤波、放大，由于这些附加相位噪声的限制，在频率源的毫秒、秒级稳定度测量中较少采用。 PN9000的短稳测量采用从已知的相位噪声计算频率抖动的方法

表1 PN9000相位噪声测试系统短稳测试灵敏度(10MHz)

2.1.2 测量方法

首先根据稳定度时间和方程（3），确定相噪测量频偏区间。测量完信号的相位噪声后，在测试窗口顶部菜单选择“T o o l s/M a t h s”，出现f x窗口，选择“Variance”，依据窗口内容选择好积分起始频偏、积分终止频偏、载波频率和稳定度时间等设置，点击“Execute”完成计算，在“Result”旁的窗口显示计算结果。

2.2 PN9000对中长稳的测量

2.2.1 测量原理

中长期稳定度测量需要PN3100选件,通过内置频率计数器测量。计数器在一个指定的时间闸门周期τ上测量瞬时频率（f）的平均表闸门频率的样本。对上述测量值进行归一化处理，得到的标称频率。阿伦方差的计算公式如（4）式所示：

yk是第k个归一化频率测量值。

将被测频率信号与PN9000鉴相器RF输入端连接，参考源信号与鉴相器LO输入端连接。由于没有锁相，鉴相器相当于混频器。调节被测源或参考源，以在混频器输出得到很低的拍频，此差拍信号用计数器测出。参考源的稳定度应该优于被测源。PN9000测量长稳分辨率如表2所示。

表2 PN9000相位噪声测试系统中长稳测试灵敏度（10MHz）

2.2.2 测量方法

依据测量原理，进行被测频率源和PN9000连接;进入测试窗口，在“Method”菜单中选择“F Stability”→ “One Point Meas.”或“Curve”。如选择“One Point Meas.”，在上面窗口中依次输入被测频率、选择参考源、调整IF频率、选择平均次数和要测量稳定度的时间，点击“M e a s u r e”，测量结果就在“A l l a n Deviationn”下方的黑框中显示；如选择“Curve”，出现测试窗口，依次输入被测频率、选择参考源、调整IF频率、选择平均次数和要测量稳定度的时间区间，点击“Measure”，测量结果就以曲线形式显示在窗口中。

3 小结

目前，频率稳定度测量通常采用时域内测频法，如频差倍增法、差拍法等，但这些方法都受到频差倍增器或倍频器的附加相位噪声影响。用PN9000测量短稳有明显的优势，具有本底相位噪声低的特点，克服了频差倍增器等引入高附加相位噪声的缺点，提高了测量短稳的精度。对于中长稳的测量，PN9000采用时域测量方法，也可满足测量需求。

[1]AEROFlEX 公司. PN9000Versatile Phase Noise Test Set

[2]张联合.频率短期稳定度及其测量[J].信息

技术.2002，(9):73-74

[3]张娜.郭芳.江贤峰，等.时间频率信

号测量中噪声表征方法的研究[J].中国科

学院上海天文台年刊.2009，(30):151

[4]李宗杨.王志田.高连山编著.时间频

率计量[M].原子能出版社.2002

[5]仲崇霞.夏振华.由相位噪声间接测量阿伦

方差的研究[J].计量学报.2009，30(6)

In this paper it is mainly introduced the measure principle and method to frequency stability using a Phase Noise Measurement System and reduce th impact of additional noise.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.098