脈沖重復(fù)頻率和脈寬對(duì)脈沖相噪影響分析

1、引言

超低相位噪聲是對(duì)雷達(dá)測(cè)試設(shè)備的一個(gè)普遍要求，在航空、航天領(lǐng)域雷達(dá)信號(hào)多為脈沖體制，而脈寬和脈沖重復(fù)頻率直接影響到雷達(dá)測(cè)距和測(cè)速的分辨率，如預(yù)警雷達(dá)需要長(zhǎng)脈寬和低脈沖重復(fù)頻率的信號(hào);而脈沖多普勒體制雷達(dá)(PD雷達(dá))則需要窄脈寬和高脈沖重復(fù)頻率的信號(hào)。如何準(zhǔn)確測(cè)量不同脈寬和不同脈沖重復(fù)頻率下脈沖信號(hào)的相位噪聲顯得越來(lái)越迫切。過(guò)去，脈沖信號(hào)相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)非常復(fù)雜和昂貴，而且需要把參考脈沖源和被測(cè)源進(jìn)行同步，另外測(cè)量不同脈寬和不同脈沖重復(fù)頻率下相位噪聲的能力受限于PRF濾波器的個(gè)數(shù)?，F(xiàn)在這種情況已成為歷史，帶R&S FSWP-K4選項(xiàng)的R&S FSWP能夠一鍵式完成這些測(cè)量，它能夠記錄信號(hào)，自動(dòng)計(jì)算所有參數(shù)，比如脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度，自動(dòng)構(gòu)建PRF數(shù)字濾波器;解調(diào)信號(hào)并顯示相位噪聲和幅度噪聲，最大偏置頻率范圍和測(cè)量校準(zhǔn)自動(dòng)進(jìn)行，工程師不需要擔(dān)心是否正確設(shè)置了正確的參數(shù)。在任何情況下，工程師可以定義脈沖門(mén)參數(shù)來(lái)避免脈沖沿的瞬態(tài)特性給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)影響并從而提高靈敏度。同樣還可以使用互相關(guān)技術(shù)來(lái)測(cè)量相位噪聲較好的信號(hào)源，目的是為了補(bǔ)償由于脈沖調(diào)制帶來(lái)信號(hào)靈敏度的降低。

下面的方程1描述了期望達(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍的提高量：

ΔL = 5·log(n) [1]

ΔL: 通過(guò)互相關(guān)技術(shù)相位噪聲靈敏度的提高量(單位dB)

n: 互相關(guān)的次數(shù)

舉個(gè)例子,如果互相關(guān)的次數(shù)為10,相位噪聲的靈敏度提高5dB.

2、理論分析

產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號(hào)的通用方法是使用信號(hào)源來(lái)持續(xù)不斷對(duì)載波和脈沖波形進(jìn)行幅度調(diào)制，在進(jìn)行調(diào)制之前，先介紹幾個(gè)脈沖的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)，圖1是脈沖信號(hào)的波形，表1表示脈沖信號(hào)幾個(gè)主要參數(shù)。

圖1、脈沖波形圖

表1、脈沖信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)

除了知道脈沖信號(hào)的時(shí)域特性外，脈沖信號(hào)的頻域特性也是非常重要的，由調(diào)幅原理可知道，產(chǎn)生調(diào)幅信號(hào)是通過(guò)載波和調(diào)制信號(hào)相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)，而信號(hào)在時(shí)域的相乘等于信號(hào)在頻域的卷積。當(dāng)號(hào)信號(hào)被脈沖調(diào)制后，信號(hào)的頻率譜密度會(huì)發(fā)生變化，圖2為經(jīng)脈沖調(diào)制后的頻率譜。頻率譜特性按脈沖重復(fù)頻率PRF(pulse Repetition Frequency)為等間隔的離散頻譜， 頻譜形狀為sinx/x幸格函數(shù)。脈寬的倒數(shù)為過(guò)零點(diǎn)的位置。

圖2、連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后的功率譜

2.1 脈寬和脈沖重復(fù)頻率對(duì)相位噪聲的影響

下圖水平位置表示脈沖重復(fù)頻率PRF保持不變，而改變脈沖寬度τ脈沖頻率譜的變化情況，垂直位置表示脈沖寬度τ保持不變，而改變脈沖重復(fù)頻率PRF脈沖頻率譜的變化情況。

圖3、帶有相位噪聲邊帶fc頻譜

由圖3可知脈沖調(diào)制載頻頻譜有如下特點(diǎn)：當(dāng)脈寬一定時(shí)，fc的噪聲與脈沖重復(fù)頻率(PRF)成反比(低的脈沖重復(fù)頻率對(duì)應(yīng)高的譜線(xiàn)密度和噪聲,反之高的脈沖重復(fù)頻率降低fc的噪聲)。另外當(dāng)脈沖重復(fù)頻率一定時(shí)，提高脈沖占空比將會(huì)降低fc的噪聲，這是由于脈沖包絡(luò)變窄導(dǎo)致譜線(xiàn)密度降低的緣故，對(duì)于fc的噪聲增加而言假設(shè)所有譜線(xiàn)的噪聲貢獻(xiàn)都是相同的，從最壞的情況估計(jì)fc噪聲將會(huì)增加：

噪聲改變量≤Log10(譜線(xiàn)的數(shù)量從sinx/x中第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)算起)

2.2 FSWP 脈沖信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)和PRF濾波器的自動(dòng)構(gòu)建

圖4表示FSWP的信號(hào)流程，其中陰影部分表示的是脈沖信號(hào)數(shù)字處理部分。FSWP通過(guò)脈沖檢測(cè)模塊能夠自動(dòng)檢測(cè)脈沖信號(hào)，在脈沖開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)記并產(chǎn)生一個(gè)脈沖門(mén)反饋給脈內(nèi)保持測(cè)量模塊，在脈沖處于OFF狀態(tài)時(shí)脈內(nèi)保持測(cè)量模塊將會(huì)鎖住脈內(nèi)信號(hào)，從而消除了在脈沖關(guān)斷期所有板塊的噪聲，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。接下來(lái)是數(shù)字濾波模塊，它是FPGA中的一個(gè)數(shù)字低通濾波器，其功能是濾除頻率大于PRF/2的成分，和傳統(tǒng)方法相比這是FSWP測(cè)量脈沖相位噪聲的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)鑒相器法測(cè)量脈沖相位噪聲中，由于沒(méi)有合適的PRF濾波器，通常需要手動(dòng)外接不同的PRF濾波器來(lái)測(cè)量脈沖信號(hào)的相位噪聲，F(xiàn)SWP卻能夠自動(dòng)構(gòu)建合適的濾波器來(lái)大大簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程。

FSWP基于數(shù)字信號(hào)的脈沖檢測(cè)和處理另外一大優(yōu)勢(shì)是避免了脈沖開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾，F(xiàn)SWP在脈沖開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖門(mén)，真正測(cè)量開(kāi)始是在靠近脈沖中心位置一個(gè)非常干凈的區(qū)域。

圖5、FSWP脈沖信號(hào)設(shè)置

脈沖信號(hào)的設(shè)置如圖5所示，脈沖信號(hào)下面藍(lán)色的條狀區(qū)域表示的是從脈沖門(mén)開(kāi)始的延時(shí)時(shí)間，脈沖門(mén)用紫色條狀區(qū)域來(lái)表示，這是FSWP真正開(kāi)始測(cè)量的脈沖相位噪聲的區(qū)域，通常情況下脈沖門(mén)的寬度為自動(dòng)檢測(cè)整個(gè)脈沖寬度的75%，高級(jí)用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)整脈沖門(mén)的寬度和延時(shí)來(lái)測(cè)試特定脈沖區(qū)域的脈沖相位噪聲。

3、測(cè)試驗(yàn)證

首先按照?qǐng)D6所示連接脈沖信號(hào)源和FSWP，設(shè)置脈沖源的載波頻率1GHz，脈沖重復(fù)周期100us，脈沖寬度10us。

圖6、FSWP測(cè)量脈沖相位噪聲連接圖

在FSWP前面板中按下(MEAS CONFIG)按鈕，從彈出的對(duì)話(huà)框中選擇(Pulsed Phase Noise)菜單,FSWP進(jìn)入脈沖相位噪聲測(cè)量模式。

3.1 脈沖寬度保持不變而改變脈沖重復(fù)頻率

當(dāng)脈沖寬度一定時(shí)，提高脈沖重復(fù)頻率降低fc的噪聲，這是由于脈沖包絡(luò)內(nèi)譜線(xiàn)密度降低的緣故。如圖7所示，設(shè)置脈沖源的載波頻率1GHz，脈沖寬度為10us，Trace1的脈沖重復(fù)頻率100kHz，Trace2的脈沖重復(fù)頻率10kHz，Trace1譜線(xiàn)密度將會(huì)比Trace2降低1/10，由公式可知：噪聲改變量≤10*Log10(1/10)=-10dB。

圖7、FSWP不同脈沖重復(fù)頻率脈沖相位噪聲測(cè)量曲線(xiàn)

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在靠近PRF/2處，Trace1脈沖相位噪聲比Trace2降低了-9.3dB，和理論值基本吻合。

3.2脈沖重復(fù)頻率保持不變而改變脈沖寬度

當(dāng)脈沖重復(fù)頻率一定時(shí)，提高脈沖占空比將會(huì)降低fc的噪聲，這是由于脈沖包絡(luò)變窄導(dǎo)致譜線(xiàn)密度降低的緣故。如圖15所示，設(shè)置脈沖源的載波頻率1GHz，脈沖重復(fù)周期100us，Trace1的脈寬為10us，Trace2的脈寬為50us，Trace2譜線(xiàn)密度將會(huì)比Trace1降低1/5，由公式可知：噪聲改變量≤10*Log10(1/5)=-6.9dB。

圖8、FSWP不同占空比的脈沖相位噪聲測(cè)量曲線(xiàn)

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在靠近PRF/2處，Trace2脈沖相位噪聲比Trace1降低了-5.23dB，和理論值基本吻合。

4、總結(jié)

綜上所述，采用先進(jìn)的數(shù)字相位解調(diào)和幅度解調(diào)技術(shù)，F(xiàn)SWP能夠非常方便測(cè)量脈沖信號(hào)的相位噪聲，脈沖相位噪聲的測(cè)量頻偏自動(dòng)限制在PRF/2范圍內(nèi)，脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率的改變將會(huì)對(duì)包絡(luò)內(nèi)的譜線(xiàn)密度產(chǎn)生改變，進(jìn)而影響到脈沖相位噪聲，在靠近載波處，脈沖相位噪聲基本不變，在靠近PRF/2處，脈沖相位噪聲影響就會(huì)非常明顯。