关键词 :脉冲相位噪声, 脉宽,脉冲重复频率,数字IQ相位解调 1 引言 下面的方程1描述了期望达到的动态范围的提高量: n: 互相关的次数 举个例子,如果互相关的次数为10,相位噪声的灵敏度提高5dB. 2.理论分析 图1脉冲波形图 表1脉冲信号的标准术语 除了知道脉冲信号的时域特性外,脉冲信号的频域特性也是非常重要的,由调幅原理可知道,产生调幅信号是通过载波和调制信号相乘来实现,而信号在时域的相乘等于信号在频域的卷积。当号信号被脉冲调制后,信号的频率谱密度会发生变化,图2为经脉冲调制后的频率谱。频率谱特性按脉冲重复频率PRF(pulse Repetition Frequency)为等间隔的离散频谱, 频谱形状为sinx/x幸格函数。脉宽的倒数为过零点的位置。
2.1 脉宽和脉冲重复频率对相位噪声的影响 图3 带有相位噪声边带fc频谱 由图3可知脉冲调制载频频谱有如下特点:当脉宽一定时,fc的噪声与脉冲重复频率(PRF)成反比(低的脉冲重复频率对应高的谱线密度和噪声,反之高的脉冲重复频率降低fc的噪声)。另外当脉冲重复频率一定时,提高脉冲占空比将会降低fc的噪声,这是由于脉冲包络变窄导致谱线密度降低的缘故,对于fc的噪声增加而言假设所有谱线的噪声贡献都是相同的,从最坏的情况估计fc噪声将会增加: 噪声改变量≤Log10(谱线的数量从sinx/x中第一个过零点算起) 2.2 FSWP 脉冲信号自动检测和PRF滤波器的自动构建 图4表示FSWP的信号流程,其中阴影部分表示的是脉冲信号数字处理部分。FSWP通过脉冲检测模块能够自动检测脉冲信号,在脉冲开始时产生一个标记并产生一个脉冲门反馈给脉内保持测量模块,在脉冲处于OFF状态时脉内保持测量模块将会锁住脉内信号,从而消除了在脉冲关断期所有板块的噪声,提高了系统的动态范围。接下来是数字滤波模块,它是FPGA中的一个数字低通滤波器,其功能是滤除频率大于PRF/2的成分,和传统方法相比这是FSWP测量脉冲相位噪声的一个主要优势,传统鉴相器法测量脉冲相位噪声中,由于没有合适的PRF滤波器,通常需要手动外接不同的PRF滤波器来测量脉冲信号的相位噪声,FSWP却能够自动构建合适的滤波器来大大简化测量过程。 FSWP基于数字信号的脉冲检测和处理另外一大优势是避免了脉冲开关产生的瞬态干扰,FSWP在脉冲开始时产生一个脉冲门,真正测量开始是在靠近脉冲中心位置一个非常干净的区域。 图5 FSWP脉冲信号设置 脉冲信号的设置如图5所示,脉冲信号下面蓝色的条状区域表示的是从脉冲门开始的延时时间,脉冲门用紫色条状区域来表示,这是FSWP真正开始测量的脉冲相位噪声的区域,通常情况下脉冲门的宽度为自动检测整个脉冲宽度的75%,高级用户可以通过调整脉冲门的宽度和延时来测试特定脉冲区域的脉冲相位噪声。 3 测试验证 首先按照图6所示连接脉冲信号源和FSWP,设置脉冲源的载波频率1GHz,脉冲重复周期100us,脉冲宽度10us。 图6 FSWP测量脉冲相位噪声连接图 在FSWP前面板中按下(MEAS CONFIG)按钮,从弹出的对话框中选择(Pulsed Phase Noise)菜单,FSWP进入脉冲相位噪声测量模式。 3.1 脉冲宽度保持不变而改变脉冲重复频率 当脉冲宽度一定时,提高脉冲重复频率降低fc的噪声,这是由于脉冲包络内谱线密度降低的缘故。如图7所示,设置脉冲源的载波频率1GHz,脉冲宽度为10us,Trace1的脉冲重复频率100kHz,Trace2的脉冲重复频率10kHz,Trace1谱线密度将会比Trace2降低1/10,由公式可知:噪声改变量≤10*Log10(1/10)=-10dB。
从测试结果可以看出,在靠近PRF/2处,Trace1脉冲相位噪声比Trace2降低了-9.3dB,和理论值基本吻合。 3.2脉冲重复频率保持不变而改变脉冲宽度 当脉冲重复频率一定时,提高脉冲占空比将会降低fc的噪声,这是由于脉冲包络变窄导致谱线密度降低的缘故。如图15所示,设置脉冲源的载波频率1GHz,脉冲重复周期100us,Trace1的脉宽为10us,Trace2的脉宽为50us,Trace2谱线密度将会比Trace1降低1/5,由公式可知:噪声改变量≤10*Log10(1/5)=-6.9dB。 图8 FSWP不同占空比的脉冲相位噪声测量曲线 |
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