測(cè)量雷達(dá)應(yīng)用中高端信號(hào)源的相位噪聲

1、簡(jiǎn)介

信號(hào)源質(zhì)量是先進(jìn)雷達(dá)應(yīng)用中性能的主要驅(qū)動(dòng)力。相位噪聲越低，意味著空間分辨率越好，對(duì)移動(dòng)物體的速度讀取越準(zhǔn)確。要測(cè)量這些信號(hào)源在脈沖模式下的相位噪聲并改善性能，開發(fā)人員需要高度復(fù)雜的系統(tǒng)，此類系統(tǒng)由相位檢波器、FFT 分析儀和優(yōu)異參考源等大量組件所構(gòu)成。這些源相位噪聲必須具備顯著優(yōu)于 DUT 的相位噪聲才能確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，開發(fā)人員還可使用互相關(guān)技術(shù)，即兩個(gè)并行接收路徑、兩個(gè)不同的參考源和兩個(gè)相位檢波器器。通過(guò)平均兩個(gè)測(cè)量路徑產(chǎn)生的噪聲，工程師能夠抑制參考源和測(cè)試設(shè)置組件固有的噪聲。測(cè)試設(shè)置因此變得極為復(fù)雜，但卻能夠顯著提高靈敏度。

下面的方程式 1 說(shuō)明了靈敏度的預(yù)計(jì)提升。

ΔL = 5 ? log(n) ?[1]

ΔL：通過(guò)互相關(guān)實(shí)現(xiàn)相位噪聲提升的靈敏度（單位：dB）

n：互相關(guān)/平均數(shù)量

例如，互相關(guān)次數(shù)為 10，相位噪聲則會(huì)降低 5 分貝。

但是，相位噪聲不僅僅是雷達(dá)應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)，開發(fā)人員需要使用這些復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行敏感的測(cè)量任務(wù)。測(cè)量高靈敏度振蕩器也需要這種技術(shù)，例如用于科研和通信應(yīng)用的 OCXO、DRO和合成源。

R&S ? FSWP 相位噪聲分析儀和 VCO 測(cè)試儀（圖 1）集所有這些必要測(cè)量功能于一身，一鍵式操作，無(wú)需任何復(fù)雜設(shè)置。借此，開發(fā)人員可專注于改善系統(tǒng)，而不用應(yīng)付 測(cè)試和測(cè)量設(shè)備。這款獨(dú)一無(wú)二的測(cè)試儀器配備了極為優(yōu)異的內(nèi)部參考源、互相關(guān)技術(shù)、附加測(cè)量選件比如：脈沖源相位噪聲測(cè)量選件、剩余相位噪聲測(cè)量選件和剩余脈沖相位噪聲測(cè)量選件，操作簡(jiǎn)單方便，非常適用于雷達(dá)應(yīng)用。

R&S ? FSWP 還可用作信號(hào)源分析儀和頻譜分析儀，例如用于驗(yàn)證待測(cè)量信號(hào)是否具備預(yù)期的電平和頻率。R&S ? FSWP 是一種全方位的解決方案，因此技術(shù)人員可輕松切換多種測(cè)量頻道。快速掃視頻譜后，即可開始相位噪聲測(cè)量。

2、優(yōu)異的內(nèi)本振實(shí)現(xiàn)高靈敏度測(cè)量相位噪聲和振幅噪聲

R&S ? FSWP 無(wú)需外部參考源或其他復(fù)雜設(shè)置，即可測(cè)量穩(wěn)定雷達(dá)系統(tǒng)振蕩器的相位噪聲。R&S ? FSWP內(nèi)部振蕩器在相位噪聲性能方面優(yōu)于市面上幾乎所有的發(fā)生器或參考源。圖 2 顯示了內(nèi)部振蕩器的典型相位噪聲值。如果需要更好的靈敏度，互相關(guān)則會(huì)使用第二個(gè)內(nèi)部振蕩器將靈敏度提高至 25 分貝（R&S ? FSWP-B60 選件）。軌跡下方的灰色區(qū)域顯示了特定測(cè)量所選互相關(guān)次數(shù)可實(shí)現(xiàn)靈敏度級(jí)別（見圖 3）。如果增加互相關(guān)次數(shù)無(wú)法提高靈敏度，互相關(guān)過(guò)程則會(huì)自動(dòng)中止。由于分析儀內(nèi)部源的噪聲極低，事實(shí)上只需要少量互相關(guān)次數(shù)就可測(cè)量高質(zhì)量的振蕩器。與同類系統(tǒng)相比，用戶能以快出 100 倍的速度獲得極高敏感度測(cè)量的可靠結(jié)果，這種優(yōu)勢(shì)可縮短開發(fā)和制造時(shí)間。

R&S ? FSWP 可將信號(hào)混頻到基帶中，隨之對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化和解調(diào)處理。除相位噪聲外，它還可測(cè)量調(diào)幅噪聲，這種參數(shù)的重要性日益提升，尤其對(duì)于數(shù)字解調(diào)方法來(lái)說(shuō)。在這種情況下，用戶也可以利用互相關(guān)進(jìn)行測(cè)量，靈敏度比二極管檢波器（目前最常用方法）高出 20 多分貝。相位噪聲和調(diào)幅噪聲還可同時(shí)顯示在同一窗口中，也可以顯示在兩個(gè)窗口中（見圖 3）。

3、數(shù)字相位/幅度解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)一鍵測(cè)量脈沖源的相位噪聲

模擬和數(shù)字信號(hào)領(lǐng)域的雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)幾乎全是脈沖信號(hào)。過(guò)去，測(cè)試這些信號(hào)源的相位噪聲的測(cè)試設(shè)置需要極為昂貴的復(fù)雜系統(tǒng)，這是因?yàn)槊}沖源必須與 DUT 同步。工程師還需準(zhǔn)確的脈沖參數(shù)信息和十足的耐心才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)量。這已成為歷史。配備 R&S ? FSWP-K4 選件后，R&S ? FSWP 即可一鍵執(zhí)行這些測(cè)量。它能記錄信號(hào)、自動(dòng)計(jì)算脈沖重復(fù)頻率和脈沖寬度等所有參數(shù)（見圖 3）、解調(diào)信號(hào)并顯示相位噪聲和調(diào)幅噪聲。最大頻率偏移范圍和測(cè)量校準(zhǔn)則會(huì)自動(dòng)執(zhí)行。用戶無(wú)需擔(dān)心這些參數(shù)的設(shè)置是否正確。在任何情況下，例如他們還能定義一個(gè)門脈沖，用于抑制瞬變或提高靈敏度（圖 4）。互相關(guān)還可用于測(cè)量相位噪聲優(yōu)異的信號(hào)源，補(bǔ)償靈敏度降低現(xiàn)象，這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的脈沖關(guān)斷時(shí)間會(huì)對(duì)脈沖信號(hào)產(chǎn)生低得多的平均信號(hào)強(qiáng)度。

作為一臺(tái)信號(hào)分析儀，R&S ? FSWP 不僅僅能夠測(cè)量脈沖信號(hào)的相位噪聲。配備 R&S ?? FSWP-K6 選件后，它還能夠自動(dòng)識(shí)別脈沖源表征所需的所有額外參數(shù)，例如脈沖上升和下降時(shí)間、相位和頻率響應(yīng)以及參數(shù)趨勢(shì)。

4、信號(hào)源內(nèi)置實(shí)現(xiàn)一鍵式測(cè)量剩余相位噪聲和脈沖信號(hào)剩余相位噪聲

在定性和優(yōu)化雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)了解放大器等組件的剩余相位噪聲。R&S ? FSWP 可提供此用途的內(nèi)部信號(hào)源 (R&S ? FSWP-B64)。兩端口器件會(huì)對(duì)信號(hào)的相位噪聲造成負(fù)面影響，并增加噪聲（剩余相位噪聲），即使它們并不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。例如在開發(fā)高端雷達(dá)應(yīng)用時(shí)，了解放大器等組件會(huì)對(duì)信號(hào)路徑的本振增加多少相位噪聲極為重要。只有這樣，才有可能開發(fā)噪聲極低的發(fā)射機(jī)。R&S FSWP 只需一鍵操作即可執(zhí)行這種原本極為復(fù)雜又需要優(yōu)異信號(hào)源和移相器的測(cè)量。用戶只需將內(nèi)部信號(hào)源連接到 DUT 的輸入，并將 DUT 的輸出接回 R&S ? FSWP 即可獲知 DUT 的殘留相位噪聲。R&S ? FSWP 還可在這種工作模式下使用互相關(guān)技術(shù)，以抑制內(nèi)部變頻器的剩余相位噪聲。

配備 R&S ? FSWP-K4選件后，R&S ? FSWP 可測(cè)量脈沖信號(hào)的剩余相位噪聲。在定性和優(yōu)化雷達(dá)發(fā)射機(jī)的組件時(shí)，必須在實(shí)際條件下開展測(cè)量，也就是針對(duì)脈沖信號(hào)。這是因?yàn)槊}沖和連續(xù)波信號(hào)會(huì)對(duì)組件行為造成不同的影響。

5、總結(jié)

全新 R&S ? FSWP 相位噪聲分析儀和 VCO 測(cè)試儀不僅可為相位噪聲測(cè)量提供獨(dú)一無(wú)二的靈敏度。這款儀器簡(jiǎn)單易用，可選配各類測(cè)量選件。它能夠測(cè)量連續(xù)波和脈沖信號(hào)的相位及調(diào)幅噪聲。R&S ? FSWP 還能測(cè)量剩余相位噪聲，并可用作信號(hào)分析儀和頻譜分析儀。

圖 1：R&S ? FSWP 相位噪聲分析儀和 VCO 測(cè)試儀。屏幕顯示的是高端 OCXO 的軌跡（–190dBc/Hz，頻率偏移為 1 MHz）。

圖 2：R&S ? FSWP 內(nèi)部振蕩器在不同頻率下的相位噪聲。

圖 3：在時(shí)域和頻域中使用頻譜分析儀測(cè)量脈沖信號(hào)以及使用相位噪聲分析儀測(cè)量脈沖信號(hào)（上圖）。左上角窗口顯示的是脈沖源的相位噪聲；右上角窗口顯示的是調(diào)幅噪聲。結(jié)果可顯示在單獨(dú)窗口中，也可以共同顯示在一個(gè)窗口中。灰色區(qū)域表示通過(guò)互相關(guān)技術(shù)獲得的靈敏度。

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