抗振晶體振蕩器相位噪聲測(cè)試方法的對(duì)比研究

摘要 目前電子系統(tǒng)都要求對(duì)晶體振蕩器進(jìn)行振動(dòng)狀態(tài)下相位噪聲測(cè)試。但對(duì)于抗振晶體振蕩器，按照常規(guī)相位噪聲測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)其結(jié)果有可能不正常。文中分析了抗振晶體振蕩器振動(dòng)狀態(tài)下的相位噪聲及測(cè)試方法，通過(guò)對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，不同的測(cè)試系統(tǒng)其測(cè)試結(jié)果也不相同。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解決了測(cè)試結(jié)果不正常的問(wèn)題，使測(cè)試結(jié)果達(dá)成一致。

在電子系統(tǒng)中，晶體振蕩器的相位噪聲是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，無(wú)論是靜止還是振動(dòng)狀態(tài)都要求進(jìn)行測(cè)試相位噪聲性能。對(duì)于常規(guī)晶體振蕩器靜止?fàn)顟B(tài)下的相位噪聲，常規(guī)相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)都能準(zhǔn)確地進(jìn)行相位噪聲測(cè)試。但抗振晶體振蕩器振動(dòng)狀態(tài)下的相位噪聲曲線與常規(guī)晶體振蕩器有較大不同。如果整機(jī)系統(tǒng)直接按常規(guī)晶體振蕩器的測(cè)試方法對(duì)抗振晶體振蕩器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試曲線則有可能不正常。

本文分析了抗振晶體振蕩器的相位噪聲及其測(cè)試方法，通過(guò)對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)不同測(cè)試系統(tǒng)存在測(cè)試結(jié)果不同的問(wèn)題。最終通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，解決了測(cè)試結(jié)果不正常的問(wèn)題，使測(cè)試結(jié)果達(dá)到一致。

1 相位噪聲的測(cè)試方法

目前晶體振蕩器相位噪聲的測(cè)試方法有兩種，一種是采用相位檢波器法的正交技術(shù)，測(cè)試原理框圖如圖1所示。測(cè)試時(shí)需要一個(gè)參考源，被測(cè)件被鎖定在參考源時(shí)才能進(jìn)行測(cè)試，PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)就是采用正交技術(shù)。另一種是采用互相關(guān)技術(shù)的測(cè)試方法，原理框圖如圖2所示。

被測(cè)件的相位噪聲可表示為

一方面可以通過(guò)增加相關(guān)次數(shù)NCorrelation消除測(cè)試系統(tǒng)的誤差，最大限度降低測(cè)試系統(tǒng)的影響。另一方面測(cè)試時(shí)不需要參考源鎖定，測(cè)試比較方便，且測(cè)試速度快。E5052A信號(hào)源分析儀的測(cè)試方法就是采用互相關(guān)技術(shù)。

2 抗振晶體振蕩器的相位噪聲

常規(guī)晶體振蕩器振動(dòng)狀態(tài)下的相位噪聲相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)會(huì)有約50 dB的惡化。所以常規(guī)抗振晶體振蕩器一般都是采用減振方式對(duì)晶體振蕩器進(jìn)行抗振設(shè)計(jì)，減振器的諧振頻率約為30 Hz，降低晶體振蕩器遠(yuǎn)端的相位噪聲，從而使抗振晶體振蕩器與常規(guī)晶體振蕩器的動(dòng)態(tài)相位噪聲曲線有所不同。在10～100 Hz之間，相位噪聲最差，與未減振時(shí)差別不大，并且在30 Hz處附近會(huì)有諧振放大而惡化。而在100～1 000 Hz之間，此部分頻偏處的相位噪聲每10倍頻程相位噪聲的變化較大，下降高達(dá)50～60 dB。

3 對(duì)比測(cè)試

在相同振動(dòng)條件下，分別使用E5052A信號(hào)源分析儀和PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)對(duì)同一只抗振晶體振蕩器進(jìn)行相位噪聲測(cè)試，輸出頻率為100 MHz，測(cè)試曲線如圖3和圖4所示。

如圖3所示，E5052A信號(hào)源分析儀的測(cè)試曲線正常，在頻偏1 kHz處的動(dòng)態(tài)相位噪聲曲線是連續(xù)的，為-148 dBc/Hz。但在圖5中PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試曲線明顯不正常，在頻偏10～400 Hz和1 kHz～1 MHz處，PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)與E5052A信號(hào)源分析儀測(cè)試結(jié)果一致。而在頻偏100 Hz～1 kHz處，頻偏1 kHz處的動(dòng)態(tài)相位噪聲為-138dBc/Hz。在頻偏1～10kHz處，頻偏1 kHz處的動(dòng)態(tài)相位噪聲為-148dBc /Hz，兩處的相位噪聲相差10 dB，使頻偏1 kHz處的測(cè)試曲線呈現(xiàn)臺(tái)階狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

E5052A信號(hào)源分析儀的中頻增益在所有頻偏處設(shè)置為固定值，所以系統(tǒng)的噪底不會(huì)因?yàn)榫w振蕩器的相位噪聲變差而受到影響，測(cè)試結(jié)果即為抗振晶體振蕩器實(shí)際的動(dòng)態(tài)相位噪聲。而PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)在進(jìn)行相位噪聲測(cè)試時(shí)，每10倍頻程為一段，從遠(yuǎn)端開(kāi)始逐一測(cè)試。初始中頻增益自動(dòng)設(shè)置為90 dB。在測(cè)試每一頻段時(shí)首先對(duì)噪聲進(jìn)行掃描和評(píng)估此段頻偏處的相位噪聲。如果相位噪聲較差時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)降低該段頻偏處的中頻增益，否則系統(tǒng)將無(wú)法進(jìn)行測(cè)試或測(cè)試結(jié)果不正常。但由于中頻增益的下降此時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的噪底也會(huì)相應(yīng)惡化，測(cè)試結(jié)果有可能不正常，最終無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量抗振晶體振蕩器的相位噪聲。

將PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的中頻增益設(shè)置為固定值時(shí)，測(cè)試100 MHz抗振晶體振蕩器靜止?fàn)顟B(tài)下的相位噪聲，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，曲線從上至下分別是中頻增益為30 dB、40 dB、50 dB、60 dB、70 dB和80 dB時(shí)的靜態(tài)相位噪聲測(cè)試結(jié)果。中頻增益的降低對(duì)系統(tǒng)本底將會(huì)惡化，特別是對(duì)100 Hz以后的相位噪聲的測(cè)試影響較大。所以測(cè)試系統(tǒng)噪底的惡化將不能準(zhǔn)確地測(cè)量抗振晶體振蕩器的相位噪聲。中頻增益至少80 dB時(shí)才能準(zhǔn)確測(cè)試此抗振晶體振蕩器的靜態(tài)相位噪聲。

在實(shí)際測(cè)試時(shí)，PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試頻偏1 kHz～1 MHz處的相位噪聲時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的中頻增益為90dB。如圖5所示，此時(shí)1kHz處測(cè)試系統(tǒng)的噪底約為-160 dBc/Hz，比抗振晶體振蕩器的實(shí)際相位噪聲要低，所以圖4在頻偏1 kHz～1 MHz的1kHz處的測(cè)試數(shù)據(jù)是實(shí)際抗振晶體振蕩器的相位噪聲，為-148 dBc/Hz。PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)在進(jìn)行頻偏100 Hz～1 kHz處的相位噪聲時(shí)，由于100 Hz處的相位噪聲較差，測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)將中頻增益下降為60 dB。如圖5所示，此時(shí)100Hz處測(cè)試系統(tǒng)的噪底約為-130dBc/Hz，比抗振晶體振蕩器的實(shí)際相位噪聲要低，所以PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)在100 Hz處的測(cè)試數(shù)據(jù)為實(shí)際抗振晶體振蕩器的相位噪聲。在1kHz處測(cè)試系統(tǒng)的噪底約為-140dBc/Hz，比抗振晶體振蕩器的實(shí)際相位噪聲高，所以圖4在頻偏100 Hz～1kHz中，1kHz處的測(cè)試數(shù)據(jù)是測(cè)試系統(tǒng)此時(shí)的噪底，約為-138 dBc/Hz。最終導(dǎo)致PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試抗振晶體振蕩器的動(dòng)態(tài)相位噪聲時(shí)，測(cè)試曲線呈現(xiàn)臺(tái)階狀態(tài)。

為解決此問(wèn)題，重新設(shè)置PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的功能設(shè)置。增加PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)中的噪底優(yōu)化功能。此噪底優(yōu)化功能主要是通過(guò)將測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試軟件的采樣點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分，增加采樣數(shù)據(jù)量，降低測(cè)試系統(tǒng)的影響。所以增加噪底優(yōu)化的功能后，可以降低測(cè)試系統(tǒng)的噪底，但同時(shí)由于數(shù)據(jù)量增加較大，測(cè)試時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)。增加噪底優(yōu)化的功能后。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，中頻增益達(dá)到60 dB時(shí)就能準(zhǔn)確測(cè)試此抗振晶體振蕩器的靜態(tài)相位噪聲。

通過(guò)增加優(yōu)化噪底功能后，測(cè)試曲線如圖7所示，增加優(yōu)化噪底功能后，頻偏1 kHz處的動(dòng)態(tài)相位噪聲為-148 dBc/Hz。消除了測(cè)試曲線上此處的臺(tái)階狀態(tài)，與E5052A信號(hào)源分析儀的測(cè)試結(jié)果達(dá)成一致。所以，通過(guò)增加優(yōu)化噪底功能可以解決PN8000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試抗振晶體振蕩器相位噪聲曲線不正常的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了抗振晶體振蕩器的相位噪聲及其兩種測(cè)試方法，通過(guò)增加優(yōu)化噪底功能和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，解決了抗振晶體振蕩器在兩種測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試結(jié)果不同的問(wèn)題，使兩種測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果達(dá)成一致，為分析抗振晶體振蕩器和整機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相位噪聲測(cè)試問(wèn)題提供了參考。