测量雷达应用中高端信号源的相位噪声

安泰测试设备

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1、简介

 

信号源质量是先进雷达应用中性能的主要驱动力。相位噪声越低，意味着空间分辨率越好，对移动物体的速度读取越准确。要测量这些信号源在脉冲模式下的相位噪声并改善性能，开发人员需要高度复杂的系统，此类系统由相位检波器、FFT 分析仪和优异参考源等大量组件所构成。这些源相位噪声必须具备显著优于 DUT 的相位噪声才能确保测量的准确性。如果无法实现这一点，开发人员还可使用互相关技术，即两个并行接收路径、两个不同的参考源和两个相位检波器器。通过平均两个测量路径产生的噪声，工程师能够抑制参考源和测试设置组件固有

的噪声。测试设置因此变得极为复杂，但却能够显著提高灵敏度。

 

下面的方程式 1 说明了灵敏度的预计提升。

ΔL = 5 ∙ log(n)  [1]

ΔL：通过互相关实现相位噪声提升的灵敏度（单位：dB）

n：互相关/平均数量

 

例如，互相关次数为 10，相位噪声则会降低 5 分贝。

但是，相位噪声不仅仅是雷达应用的关键参数，开发人员需要使用这些复杂的系统来执行敏感的测量任务。测量高灵敏度振荡器也需要这种技术，例如用于科研和通信应用的 OCXO、DRO和合成源。

 

R&S ® FSWP 相位噪声分析仪和 VCO 测试仪（图 1）集所有这些必要测量功能于一身，一键式操作，无需任何复杂设置。借此，开发人员可专注于改善系统，而不用应付 测试和测量设备。这款独一无二的测试仪器配备了极为优异的内部参考源、互相关技术、附加测量选件比如：脉冲源相位噪声测量选件、剩余相位噪声测量选件和剩余脉冲相位噪声测量选件，操作简单方便，非常适用于雷达应用。

 

R&S ® FSWP 还可用作信号源分析仪和频谱分析仪，例如用于验证待测量信号是否具备预期的电平和频率。R&S ® FSWP 是一种全方位的解决方案，因此技术人员可轻松切换多种测量频道。快速扫视频谱后，即可开始相位噪声测量。

 

2、优异的内本振实现高灵敏度测量相位噪声和振幅噪声

 

R&S ® FSWP 无需外部参考源或其他复杂设置，即可测量稳定雷达系统振荡器的相位噪声。R&S ® FSWP内部振荡器在相位噪声性能方面优于市面上几乎所有的发生器或参考源。图 2 显示了内部振荡器的典型相位噪声值。如果需要更好的灵敏度，互相关则会使用第二个内部振荡器将灵敏度提高至 25 分贝（R&S ® FSWP-B60 选件）。轨迹下方的灰色区域显示了特定测量所选互相关次数可实现灵敏度级别（见图 3）。如果增加互相关次数无法提高灵敏度，互相关过程则会自动中止。由于分析仪内部源的噪声极低，事实上只需要少量互相关次数就可测量高质量的振荡器。与同类系统相比，用户能以快出 100 倍的速度获得极高敏感度测量的可靠结果，这种优势可缩短开发和制造时间。

 

R&S ® FSWP 可将信号混频到基带中，随之对其进行数字化和解调处理。除相位噪声外，它还可测量调幅噪声，这种参数的重要性日益提升，尤其对于数字解调方法来说。在这种情况下，用户也可以利用互相关进行测量，灵敏度比二极管检波器（目前最常用方法）高出 20 多分贝。相位噪声和调幅噪声还可同时显示在同一窗口中，也可以显示在两个窗口中（见图 3）。

 

3、数字相位/幅度解调技术实现一键测量脉冲源的相位噪声

 

模拟和数字信号领域的雷达系统信号几乎全是脉冲信号。过去，测试这些信号源的相位噪声的测试设置需要极为昂贵的复杂系统，这是因为脉冲源必须与 DUT 同步。工程师还需准确的脉冲参数信息和十足的耐心才能实现稳定测量。这已成为历史。配备 R&S ® FSWP-K4 选件后，R&S ® FSWP 即可一键执行这些测量。它能记录信号、自动计算脉冲重复频率和脉冲宽度等所有参数（见图 3）、解调信号并显示相位噪声和调幅噪声。最大频率偏移范围和测量校准则会自动执行。用户无需担心这些参数的设置是否正确。在任何情况下，例如他们还能定义一个门脉冲，用于抑制瞬变或提高灵敏度（图 4）。互相关还可用于测量相位噪声优异的信号源，补偿灵敏度降低现象，这是因为较长的脉冲关断时间会对脉冲信号产生低得多的平均信号强度。

 

作为一台信号分析仪，R&S ® FSWP 不仅仅能够测量脉冲信号的相位噪声。配备 R&S  ® FSWP-K6 选件后，它还能够自动识别脉冲源表征所需的所有额外参数，例如脉冲上升和下降时间、相位和频率响应以及参数趋势。

 

4、信号源内置实现一键式测量剩余相位噪声和脉冲信号剩余相位噪声

 

在定性和优化雷达系统时，还应了解放大器等组件的剩余相位噪声。R&S ® FSWP 可提供此用途的内部信号源 (R&S ® FSWP-B64)。两端口器件会对信号的相位噪声造成负面影响，并增加噪声（剩余相位噪声），即使它们并不会产生信号。例如在开发高端雷达应用时，了解放大器等组件会对信号路径的本振增加多少相位噪声极为重要。只有这样，才有可能开发噪声极低的发射机。R&S FSWP 只需一键操作即可执行这种原本极为复杂又需要优异信号源和移相器的测量。用户只需将内部信号源连接到 DUT 的输入，并将 DUT 的输出接回 R&S ® FSWP 即可获知 DUT 的残留相位噪声。R&S ® FSWP 还可在这种工作模式下使用互相关技术，以抑制内部变频器的剩余相位噪声。

 

配备 R&S ® FSWP-K4选件后，R&S ® FSWP 可测量脉冲信号的剩余相位噪声。在定性和优化雷达发射机的组件时，必须在实际条件下开展测量，也就是针对脉冲信号。这是因为脉冲和连续波信号会对组件行为造成不同的影响。

 

5、总结

全新 R&S ® FSWP 相位噪声分析仪和 VCO 测试仪不仅可为相位噪声测量提供独一无二的灵敏度。这款仪器简单易用，可选配各类测量选件。它能够测量连续波和脉冲信号的相位及调幅噪声。R&S ® FSWP 还能测量剩余相位噪声，并可用作信号分析仪和频谱分析仪。

图 1：R&S ® FSWP 相位噪声分析仪和 VCO 测试仪。屏幕显示的是高端 OCXO 的轨迹（–190dBc/Hz，频率偏移为 1 MHz）。

图 2：R&S ® FSWP 内部振荡器在不同频率下的相位噪声。

图 3：在时域和频域中使用频谱分析仪测量脉冲信号（下图）以及使用相位噪声分析仪测量脉冲信号（上图）。左上角窗口显示的是脉冲源的相位噪声；右上角窗口显示的是调幅噪声。结果可显示在单独窗口中，也可以共同显示在一个窗口中。灰色区域表示通过互相关技术获得的灵敏度。

图 4：该仪器会自动测量脉冲参数，但用户依旧可以自定义脉冲门。