基于85671A单边带相位噪声自动测试的实现

邱 斌 夏 伟 丁风海 余清华

(中国卫星海上测控部，江阴 214431)



基于85671A单边带相位噪声自动测试的实现

邱 斌 夏 伟 丁风海 余清华

(中国卫星海上测控部，江阴 214431)

本文在简要探讨了相位噪声的定义和测试方法的基础上，重点分析了频谱分析仪测试相位噪声的原理及关键技术；研究了HP/Agilent公司的频谱分析仪相位噪声测试选件85671A实现自动测试的难点和解决办法，最后给出了基于85671A实现SSB相位噪声自动测试的具体实现,解决了85671A不能用于自动测试的难题；结果表明这是一种更加高效准确的单边带相位噪声测试方法。

频谱仪；相位噪声；自动测试；85671A

0 引言

在射频和微波系统，相位噪声是描述信号质量的重要特性指标。例如，在通信系统中，在存在强信号的情况下，接收机的本地振荡器的相位噪声就决定了相邻通道的接收灵敏度；同样，在发射机中，振荡器的相位噪声和调制器的特性一起影响邻近通道的功率。因此，在无线电系统中，振荡器、合成器的相位噪声测试是十分必要的，在实际工作中还时常需要实现SSB相位噪声的自动测试，以提高效率和测试精度。

1 相位噪声测试原理

每一个射频和微波源都存在频率稳定度的问题，在表征短期频率稳定度指标中，最常用的是单边带相位噪声。频率振荡器受各种干扰和噪声影响，其输出信号不可能是一个理想的正弦波。

V(t)=[Vo+ε(t)]sin[2p fot+Δφ(t)]

(1)

式中，Vo为信号幅度；fo为信号频率；2p fot为信号的相位；ε(t)为随机幅度变化；Δφ(t)为随机相位变化或相位噪声。

相位噪声的测量最常见的方法是频域分析法，它是把信号相位的的波动Δφ(t)通过傅立叶变换，变为噪声功率密度函数Sφ(f)加以描述[2]。SSB相位噪声通常用对数刻度表示，即：

Llg(f)=10lg(Pssb/Ps)(dBc/Hz)

(2)

式中，Pssb是距载波f处的1Hz带宽内的噪声功率；Ps是信号功率。f是距离载波频率的频差。

相位噪声的测量可在时域测量，但一般进行频域测量的较多。在频域测量方法中，最常用是鉴相法和频谱仪直接测量法。鉴相法是专用相位噪声测试系统所使用的方法，它用相位检波器把信号的相位起伏变换为电压起伏，由频谱仪测量相位起伏谱密度，再由相位起伏谱密度在小角度条件下，计算得到单边带相位噪声[1]。这种方法的优点是能够提供非常大的动态范围，最高可达-170dBc/Hz，缺点是较复杂和昂贵。频谱仪直接测量法不需要额外的设备，简单易行，但用这种方法有两个限制条件，一是频谱仪本振的相位噪声必须足够低，以确保测试的是被测源的相位噪声，频谱仪测量SSB相位噪声的范围通常不会超过-120dBc/Hz；二是振荡器的频率漂移在频谱仪的扫描时间内应该非常小，也就是说被测源应当是稳定的，否则也将引起测试结果的失真[4]。

2 频谱仪测试SSB相位噪声关键技术

用频谱仪测试振荡器的SSB相位噪声，实质上就是用频谱仪测量噪声电平并换算到相位噪声。但由于频谱仪的检波器是被设计成检测正弦波的，在测量相位噪声时需注意以下问题的影响。

2.1 噪声等效带宽的影响

噪声是一个与带宽相关的量，噪声电平测量总是指在一定带宽下，而不同响应曲线的各种滤波器对噪声产生的响应也是不同的，所以，应当定义一个统一的噪声等效带宽BWn，若一个滤波器的噪声等效带宽已知，只要输入噪声在滤波器的带宽范围内恒定不变，那么，在进行噪声计算时便无需精确的滤波曲线。滤波器的噪声等效带宽由与原有滤波器同样数量的噪声通过的矩形滤波曲线决定，如图1。对于HP8560E系列频谱仪，噪声等效带宽大约是分辨力带宽的1.2倍。在测量相位噪声时，频谱仪会自动将噪声电平归一化到1Hz，即将测量结果减去10lg(BWn/1Hz)。

图1 滤波器的噪声等效带宽

2.2 频谱仪测量噪声时引入的误差

频谱仪的检波器是被设计成检测正弦波的，在测量噪声电平时将会引入误差，此外，频谱仪的对数放大器在放大噪声时也会产生误差，由于上述原因而导致频谱仪在测量噪声时的显示值比实际值要低，大约是2.5dB[5]。

2.3 频谱仪本底噪声的修正

频谱仪测量的噪声实际上是信号噪声和本地振荡器噪声的总和。若被测噪声远远大于频谱仪的内部噪声，便不会引入显著误差。然而，当外部噪声电平接近内部噪声电平时，测量便存在误差。当实际噪声等于内部噪声时，测量结果将比实际值高3dB。这种误差也是可以修正的，例如噪声测试值与内部噪声之差为5dB时，带来的误差为1.20dB。通常，当噪声电平测试值大于频谱仪内部噪声20dB以上，引入的误差才可以忽略。

在用频谱仪测量相位噪声时，需要对以上讨论的问题进行换算和修正，大多数现代频谱仪使用噪声标记功能时，会自动进行转换和修正，包括8560E系列频谱仪。

3 基于85671A实现SSB相位噪声自动测试

在许多应用场合需要对相位噪声进行自动测试，这样不但可以提高测试效率，而且可以采集并绘出SSB相位噪声距离载波频率变化的曲线。

Agilent8560E系列频谱仪有85671A相噪测试选件，只要设置好初始参数，频谱仪将自动进行相位噪声测量，并绘制出SSB相位噪声曲线。当然也可以不用此选件，利用频谱仪的噪声标记和相对标记功能测得信号SSB相位噪声。

在用8650E系列频谱仪进行相位噪声自动测试时，可以充分利用85671A相位噪声测试选件的功能。85671A是HP/Agilent公司为8560E系列频谱仪提供的嵌入式相噪测试软件，它可以下载到85620A存储器模块。85671A提供了通过频谱仪面板对SSB相位噪声测试的功能，并绘出相位噪声距离载波频率变化的曲线。但是，由于HP/Agilent公司没有提供通过程控命令进行参数设置和控制运行85671A的方法与资料，若要实现8560E频谱仪的SSB相位噪声自动测试，就需解决两个难题：一是如何远程控制85671A选件；二是如何传输频谱仪的轨迹数据到控制计算机。

3.1 如何远程控制85671A

经过分析，笔者发现85671A是可下载到85620A中的程序，可以通过85620A的变量定义命令对85671A中用到的变量进行赋值，而85671A的子程序本身就可以通过程序名以程控命令的形式进行控制。所以，只要找出相噪测试时需要设置的参数与85671A的变量之间的关系，就可以程控85671A，实现SSB相位噪声自动测试。

在用85671A进行SSB相噪测试时，需要设置的参数有载波频率fc、最小偏离载波频率fmin、最大偏离载波频率fmax和相噪测试参考电平Lref，还有频谱仪显示的对数坐标系的频率轴的网格数x。经过分析，发现这些参数与85671A的定义变量关系如下：

fc=PH_S_FRQ

(3)

fmin=PH_FMIN,PH_FMIN

=10exp(PH_F_EXP)

(4)

fmax=PH_FMAX,PH_FMAX

=10exp(3*PH_FMAXI+

PH_FMAXM)

(5)

Lref=PH_RLVL

(6)

x=PH_TENS,PH_TENS

=lg(PH_FMAX/PH_FMIN)

(7)

式(3)～式(7)中，PH_S_FRQ是85671A定义的待测信号载波频率变量，Hz；PH_FMIN是85671A定义的SSB相位噪声测量的最小偏离载波频率变量，Hz；PH_FMAX是85671A定义的SSB相位噪声测量的最大偏离载波频率变量，Hz；PH_RLVL是85671A定义的参考电平变量，dBm；PH_TENS是频谱仪相位噪声坐标网格系数；PH_F_EXP、PH_FMAXI、PH_FMAXM是85671A定义的中间变量。

3.2 数据如何传输到控制计算机

频谱仪远控操作的实质上就是通过程控接口(如GPIB接口)与控制器之间发送和接收轨迹数据。而要实现轨迹数据的传输，需要满足三个条件，下面以8560E系列频谱仪为例进行讨论：

1)确定轨迹长度：8560E系列频谱仪轨迹数据有601个轨迹元素构成，这个长度是不可变的。当与计算机之间传输轨迹数据时，轨迹数据数组的大小必须被设为601个点。

2)确定轨迹的注释信息：如果不能确定轨迹数据的注释信息，那么得到的轨迹是没什么价值的。而要确定一个轨迹数据的状态，下列5个注释信息必须被同时存储，分别是开始频率、结束频率、参考电平、幅度刻度比例和绝对幅度单位。当然，也可以存储附加的注释信息，比如分辨力带宽、射频衰减和扫描时间等。

3)在传输数据之前指定数据格式：在与计算机传输数据之前，必须知道所发送或接受数据的格式，8560E系列频谱仪用TDF命令指定轨迹数据的格式。TDF命令指定的数据格式有5种，分别是：P、B、A、I和M格式。轨迹数据的单位有参数单位和测量单位两种。参数单位是标准科学单位，如幅度的单位dBm、W等[3]。但在轨迹数据传输时最好使用测量单位，它是频谱仪的内部单位。使用测量单位最大的好处是提高测量速度，因为频谱仪内部不必在测量单位和参数单位之间换算。当使用测量单位时，轨迹数据在频谱仪内部被存储为0到600的整数。测量单位和参数单位之间是可以换算的，在使用对数刻度时，关系如下：

(8)

(9)

式中，UP代表参数单位的信号幅度；UM代表测量单位的信号幅度；LREF代表参考电平；K代表频谱仪对数刻度比例。

在TDF命令返回数据的幅度信息中，只有P格式是以参数单位表示的，其余4种都是以测量单位表示的。

3.3 自动测试软件实现

在明确了以上三个条件后，就可以将频谱仪的轨迹数据传输到计算机，然后进行存储并进行必要的转换，最后在计算机上绘出SSB相位噪声曲线图。利用8560E频谱仪85671A选件自动测试SSB相位噪声的程序流程见图2。图3是测试某信号源的相位噪声后绘出的SSB相噪曲线。

图2 基于85671A的SSB相位噪声自动测试软件流程

图3 测试某信号源时绘制的SSB相位噪声曲线

4 结束语

本文在探讨了使用频谱分析仪测试单边带相位噪声的基本原理和方法的基础上，针对HP/Agilent公司没有提供用于频谱仪的85671A相位噪声测试选件程控方法和资料的难题，通过分析相位噪声测试变量与85671A内部变量的关系，实现了基于85671A选件实现SSB相位噪声的自动测试，并给出了软件实现方法。

[1] 赵亮亮.通信接收机的相位噪声分析与改进措施[J].现代电子技术，2009(23)

[2] 翁明霞.用HP8902A测量SSB相位噪声的方法和技术[J].计量技术，1996(11)

[3] 张志鑫.基于信号源和频谱仪的相位噪声测试软件设计[J].国外电子测量技术，2012(3)

[4] 沈世科.相位噪声测试结果的分析与应用[J].计量技术，2008(3)

[5] 陈光禹.现代电子测试技术[M].北京：国防工业出版社，2000

[6] 戴维君.用频谱仪测量相位噪声的方法[J].国外电子测量技术，2001(6)

[7] 施柳，杨芳，李海松.基于直接频谱法的相位噪声测试方法研究[J].上海航天，2012(3)

[8] 陈芳.频谱仪的噪声探讨[J].计量技术，2002(10)

[9] HP公司.HP8562E Spectrum Analyzers User’s Guide[M]，2000

[10] Agilent Technologies.Agilent VISA User’s Guide for IO Libraries Suite[M]，2009

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.11