基于小型化模块相位噪声的间接测试方法

胡劲涵，陈文涛，邵海洲

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

0 引言

相位噪声是雷达、通信和电子对抗装备等领域中的重要技术指标，也是评估信号质量的主要依据，因此其测量结果已成为系统设计的重要依据[1]。通信系统的收发电路由多个组件构成，本振是其中的重要组成部分。在接收电路中，本振信号相位噪声会通过混频器被引入到接收信号中，导致混频后输出的中频信号相位噪声恶化，如果利用接收信号的相位信息来提取信号的目标特征参数，相位噪声恶化将会严重影响系统指标[2-5]。发射电路的本振信号相位噪声也会通过混频器叠加到发射信号中，导致混频后输出的射频信号相位噪声恶化，进而影响到后级电路对射频信号的接收和处理。

随着科学技术和制造工艺的不断进步[6-7]，电路模块小型化已成为行业研究的热点[8-11]。小型化收发电路模块由于整体尺寸有限，在设计时无法在本振输出端预留测试端口，导致无法直接测试相位噪声。

本文提出了1 种间接测试本振信号相位噪声的方法，通过测试输入/输出信号的频率、相位噪声以及通路的增益和噪声系数，间接计算出本振信号相位噪声。该方法能够在不破坏电路的前提下，快速、有效地测试并计算本振信号相位噪声。

1 间接测试方法的理论分析

1.1 接收机的本振信号相位噪声

接收机是无线通信系统的重要组成部分，其负责将天线接收到的射频信号转换到适合模数转换器（ADC）处理的信号频率和电平范围。接收机的整体通路如图1 所示。本振信号相位噪声直接影响中频信号相位噪声，从而影响进入ADC 的中频信号质量。在实际的电路设计中，由于空间受限，通常不会在本振输出端预留测试端口，因此需要通过间接方法测试本振信号相位噪声。

图1 接收机的整体通路

最终进入ADC 的中频信号相位噪声由以下部分组成：1）输入的射频信号相位噪声；2）本振信号相位噪声；3）接收通路产生的热噪声。为了计算接收通路的本振信号相位噪声，需要得到中频信号相位噪声、射频信号相位噪声以及接收通路的增益、噪声系数。

将除天线、本振和ADC 以外的接收通路当作1个“黑匣子”，通过频谱仪和相噪仪测得从天线接收到的射频信号功率（设为PRF1）、相位噪声（设为NRF1），以及接收通路输出的中频信号功率（设为PIF1）、相位噪声（设为NIF1），以偏移频率为100 kHz 时的相位噪声为例，整个接收通路的增益为G1，通路的噪声系数为F1，本振信号相位噪声为NLO1。射频信号经过接收通路后引入的相位噪声绝对值PPNRF为

接收通路产生的热噪声的绝对值PJ1为

其中：B1为带宽，为了和相位噪声单位保持一致，将B1设置为1 Hz。

本振信号相位噪声绝对值PPNLO1为

1.2 发射机的本振信号相位噪声

不同于接收机，发射机的功能是将频率较低的中频信号转换为频率更高、适合天线辐射的射频信号。发射机的整体通路如图2 所示。发射机本振信号的间接计算方法和接收机本振信号类似。

图2 发射机的整体通路

从天线辐射出去的射频信号相位噪声由以下部分组成：1）输入的中频信号相位噪声；2）本振信号相位噪声；3）发射通路产生的热噪声。为了计算发射通路本振信号相位噪声，需要得到射频信号相位噪声、中频信号相位噪声以及发射通路的增益和噪声系数。

将滤波器、混频器和放大器看作一个整体，通过频谱仪和相噪仪测得从数模转换器（DAC）传输到发射通路的中频信号功率（设为PIF2）、相位噪声（设为NIF2），以及最终通过天线发射出去的射频信号功率（设为PRF2）、相位噪声（设为NRF2），以偏移频率为100 kHz 时的相位噪声为例，整个发射通路的增益为G2，通路的噪声系数为F2，本振信号相位噪声为NLO2。中频信号经过发射通路后引入的相位噪声绝对值PPNIF为

由发射通路产生的热噪声的绝对值PJ2为

其中：B2为带宽，为了和相位噪声单位保持一致，将B2设置为1 Hz。

本振信号相位噪声的绝对值PPNLO2为

2 小型化收发电路模块

本文设计了1 款小型化收发电路模块，图3 为该电路模块的系统测试原理框图。电路模块通过2 颗锁相环芯片、2 颗调制器芯片、2 颗解调器芯片、2 颗可变增益放大器（VGA）芯片和级间电路实现了1 个双发双收（2T2R）系统。锁相环芯片分别为模块的2 路发射通路和2 路接收通路提供独立的本振信号。红色虚线框内为模块的2 路发射通路，蓝色虚线框内为模块的2 路接收通路。发射通路的调制器芯片内部集成了放大器和混频器，调制器芯片的作用是将中频信号和本振信号进行混频并放大，随后将其转换为更高频率的射频信号。接收通路的解调器芯片内部同样集成了放大器和混频器，解调器芯片的作用是将接收到的射频信号和本振信号进行混频并将其转换为适合ADC 处理的中频信号。VGA 负责对中频信号进行放大和滤波。

图3 小型化收发电路模块系统测试原理框图

小型化收发电路模块的整体尺寸为45 mm×55 mm，由于受到系统尺寸的限制，在锁相环芯片的输出端无法预留测试端口。小型化收发电路模块实物如图4 所示，从图4 可知，此模块尺寸较小，在此空间内增加4 路本振输出的测试座难度较大。如果增加SMA测试座，模块尺寸势必会变大，将无法满足原有系统尺寸的要求，所以需要采用间接测试方法测试此模块的本振信号相位噪声。

图4 小型化收发电路模块实物

3 相位噪声测试方法

按照小型化收发电路模块系统测试原理框图搭建测试环境。采用直流稳压源给整个模块供电，使用FPGA 程序给模块的各芯片写入合适的寄存器值，寄存器值的设置将决定各芯片的工作状态。

在保证模块正常工作的前提下，采用信号源提供射频输入信号，使用频谱仪测得模块输出的中频信号功率和相位噪声。在信号源和模块之间接入1 个低噪声放大器，以降低整个接收通路的噪声系数。使用低噪声放大器可以使频谱仪测得更准确的中频信号相位噪声。最后利用频谱仪测得低噪声放大器和接收通路的整体增益和噪声系数。

在保证模块处于正常工作状态的前提下，采用信号源提供中频输入信号，使用频谱仪测得输出的射频信号功率和相位噪声。在模块和频谱仪之间接入1 个放大器，以提高模块输出的射频信号功率。使用放大器可以使频谱仪测得更准确的射频信号相位噪声。最后利用频谱仪测得发射通路和放大器的整体增益和噪声系数。

4 测试结果分析

将接收通路1的射频信号输入频率设置为400 MHz，本振信号频率设置为450 MHz，中频信号输出频率设置为50 MHz；将接收通路2 的射频信号输入频率设置为2 400 MHz，本振信号频率设置为2 450 MHz，中频信号输出频率设置为50 MHz。信号源产生的射频信号输入功率为－16 dBm，利用频谱仪测得中频信号输出功率为12.8 dBm，通过公式计算出整个接收通路的增益为28.8 dB，利用增益法得到整个接收通路的噪声系数为22.7 dB。将频谱仪切换到相位噪声测试模式，测得射频信号和中频信号的相位噪声，将测试数据带入式（5）进行计算，将计算结果与器件规格书上的相位噪声指标进行对比，接收通路相位噪声的测试及计算结果如表1 所示。

表1 接收通路相位噪声的测试及计算结果

将发射通路1 的中频信号输入频率设置为50 MHz，本振信号频率设置为2 500 MHz，射频信号输出频率设置为2 550 MHz；将发射通路2 的中频信号输入频率设置为50 MHz，本振信号频率设置为5 800 MHz，射频信号输出频率设置为5 850 MHz。将信号源产生的中频信号输入功率设置为0 dBm，利用频谱仪测得射频信号输出功率为8.2 dBm，整个发射通路的增益为8.2 dB，利用增益法得到整个发射通路的噪声系数为25.8 dB。将频谱仪切换到相位噪声测试模式，测得中频信号和射频信号的相位噪声，将测试数据带入式（10）进行计算，将计算结果与器件规格书上的相位噪声指标进行对比，发射通路相位噪声的测试及计算结果如表2 所示。

表2 发射通路相位噪声的测试及计算结果

在不同频段下，分别对2 路接收通路和2 路发射通路进行测试，将计算出的本振信号相位噪声结果和器件规格书上的相位噪声指标进行对比，误差均在2%以内。不同频率下的接收通路和发射通路的性能都表现出高度一致性。在无法直接测试小型化收发电路模块本振信号相位噪声的情况下，使用间接测试方法测得的本振信号相位噪声与器件规格书中的相位噪声指标高度一致，进而证明了间接测试方法的准确性和有效性。

5 结论

针对无法直接测试本振信号相位噪声的情况，本文提出了1 种间接计算本振信号相位噪声的方法。该方法可以在不破坏系统电路的前提下准确地测量本振信号相位噪声。实测结果充分证实了间接计算方法的精确性和可行性，从而解决了无法直接测试小型化模块本振信号相位噪声的问题，该方法为本振信号相位噪声的测试和验证提供了更多选择。