脈沖重復(fù)頻率和脈寬對脈沖相噪影響分析

摘要：在使用數(shù)字相位解調(diào)和幅度解調(diào)技術(shù)測量脈沖信號相位噪聲中，脈寬和脈沖重復(fù)頻率會對測試結(jié)果造成影響。本文先介紹脈沖信號的產(chǎn)生機理和特點，并結(jié)合FSWP數(shù)字相位解調(diào)原理，進而給出脈沖相位噪聲測試結(jié)果影響分析。

1、引言

超低相位噪聲是對雷達測試設(shè)備的一個普遍要求，在航空、航天領(lǐng)域雷達信號多為脈沖體制，而脈寬和脈沖重復(fù)頻率直接影響到雷達測距和測速的分辨率，如預(yù)警雷達需要長脈寬和低脈沖重復(fù)頻率的信號；而脈沖多普勒體制雷達(PD雷達)則需要窄脈寬和高脈沖重復(fù)頻率的信號。如何準(zhǔn)確測量不同脈寬和不同脈沖重復(fù)頻率下脈沖信號的相位噪聲顯得越來越迫切。過去，脈沖信號相位噪聲測試系統(tǒng)非常復(fù)雜和昂貴，而且需要把參考脈沖源和被測源進行同步，另外測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濾波器的個數(shù)?，F(xiàn)在這種情況已成為歷史，帶R&S FSWP-K4選項的R&S FSWP能夠一鍵式完成這些測量，它能夠記錄信號，自動計算所有參數(shù)，比如脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度，自動構(gòu)建PRF數(shù)字濾波器；解調(diào)信號并顯示相位噪聲和幅度噪聲，最大偏置頻率范圍和測量校準(zhǔn)自動進行，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參數(shù)來避免脈沖沿的瞬態(tài)特性給測試結(jié)果帶來影響并從而提高靈敏度。同樣還可以使用互相關(guān)技術(shù)來測量相位噪聲較好的信號源，目的是為了補償由于脈沖調(diào)制帶來信號靈敏度的降低。

下面的方程1描述了期望達到的動態(tài)范圍的提高量：

ΔL = 5·log(n) [1]

ΔL: 通過互相關(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)制信號的通用方法是使用信號源來持續(xù)不斷對載波和脈沖波形進行幅度調(diào)制，在進行調(diào)制之前，先介紹幾個脈沖的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語，圖1是脈沖信號的波形，表1表示脈沖信號幾個主要參數(shù)。

圖1、脈沖波形圖

表1、脈沖信號的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語

除了知道脈沖信號的時域特性外，脈沖信號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)幅信號是通過載波和調(diào)制信號相乘來實現(xiàn)，而信號在時域的相乘等于信號在頻域的卷積。當(dāng)號信號被脈沖調(diào)制后，信號的頻率譜密度會發(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)為過零點的位置。

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：當(dāng)脈寬一定時，fc的噪聲與脈沖重復(fù)頻率（PRF）成反比(低的脈沖重復(fù)頻率對應(yīng)高的譜線密度和噪聲,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，提高脈沖占空比將會降低fc的噪聲，這是由于脈沖包絡(luò)變窄導(dǎo)致譜線密度降低的緣故，對于fc的噪聲增加而言假設(shè)所有譜線的噪聲貢獻都是相同的，從最壞的情況估計fc噪聲將會增加：

噪聲改變量≤Log10(譜線的數(shù)量從sinx/x中第一個過零點算起)

2.2 FSWP 脈沖信號自動檢測和PRF濾波器的自動構(gòu)建

圖4表示FSWP的信號流程，其中陰影部分表示的是脈沖信號數(shù)字處理部分。FSWP通過脈沖檢測模塊能夠自動檢測脈沖信號，在脈沖開始時產(chǎn)生一個標(biāo)記并產(chǎn)生一個脈沖門反饋給脈內(nèi)保持測量模塊，在脈沖處于OFF狀態(tài)時脈內(nèi)保持測量模塊將會鎖住脈內(nèi)信號，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)的動態(tài)范圍。接下來是數(shù)字濾波模塊，它是FPGA中的一個數(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測量脈沖相位噪聲的一個主要優(yōu)勢，傳統(tǒng)鑒相器法測量脈沖相位噪聲中，由于沒有合適的PRF濾波器，通常需要手動外接不同的PRF濾波器來測量脈沖信號的相位噪聲，F(xiàn)SWP卻能夠自動構(gòu)建合適的濾波器來大大簡化測量過程。

FSWP基于數(shù)字信號的脈沖檢測和處理另外一大優(yōu)勢是避免了脈沖開關(guān)產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾，F(xiàn)SWP在脈沖開始時產(chǎn)生一個脈沖門，真正測量開始是在靠近脈沖中心位置一個非常干凈的區(qū)域。

圖5、FSWP脈沖信號設(shè)置

脈沖信號的設(shè)置如圖5所示，脈沖信號下面藍色的條狀區(qū)域表示的是從脈沖門開始的延時時間，脈沖門用紫色條狀區(qū)域來表示，這是FSWP真正開始測量的脈沖相位噪聲的區(qū)域，通常情況下脈沖門的寬度為自動檢測整個脈沖寬度的75%，高級用戶可以通過調(diào)整脈沖門的寬度和延時來測試特定脈沖區(qū)域的脈沖相位噪聲。

3、測試驗證

首先按照圖6所示連接脈沖信號源和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，從彈出的對話框中選擇（Pulsed Phase Noise）菜單,FSWP進入脈沖相位噪聲測量模式。

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，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譜線密度將會比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量曲線

從測試結(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，提高脈沖占空比將會降低fc的噪聲，這是由于脈沖包絡(luò)變窄導(dǎo)致譜線密度降低的緣故。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譜線密度將會比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量曲線

從測試結(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能夠非常方便測量脈沖信號的相位噪聲，脈沖相位噪聲的測量頻偏自動限制在PRF/2范圍內(nèi)，脈沖寬度和脈沖重復(fù)頻率的改變將會對包絡(luò)內(nèi)的譜線密度產(chǎn)生改變，進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非常明顯。