理论与方法 誊ｊ警 毫囊 己口Ｉ］年４月 第］己卷第４期—一 相位噪声比对方法和分析 杜福鹏赵广春毕鹏 （９２４９３８９分队摘葫芦岛 １２５０００） 要：相位噪声比对的目的可以识别实验室间的差异及评价其适用性，保证相位噪声测量结果的质量。阐述了实验室相位 校准源进行计量检定的方法，用标准化误差Ｅ 值对参比实验室测量结果的质量进行评价，结果表明实验室的相位噪声标 噪声比对可以评价参比实验室相位噪声项目校准的技术能力，具有重要的现实意义。比对采用相位噪声标准装置对量值统 一准性能完好，能够保证测量结果的质量，具有较高的置信度，验证了实验室的持续能力。 关键词：相位噪声；比对；不确定度 中图分类号：ＴＰ８０６ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：４２０．４０ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ Ｄｕ Ｆｕｐｅｎｇ Ｚｈａｏ Ｇｕａｎｇｃｈｕｎ Ｂｉ Ｐｅｎｇ （９２４９３ Ａｒｍｙ ８９ Ｕｎｉｔ，Ｈｕｌｕｄａｏ １２５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｃａｎ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｅ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａ— ｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔ ｃａｎ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｃａｎ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ．Ｉｔ ｈａｖｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｉＳ ｔｈａｔ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ．Ｅｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｒｅｆｅｒ— ｅｎｃｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｅｖａｌｕａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｑｕａｌｉｔｙ ｃａｎ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ．Ｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ；ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ；ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ １ 引 言 频率稳定度按观测域的不同，分为时域频率稳定度和 频域频率稳定度。随着通信、雷达等高科技的发展，频率 稳定度和相位噪声往往成为系统性能的性因素，成为 整机系统、频率源、多种两端口频率控制和变换部件设计 中必须认真考虑的重要性能指标。因此，频率稳定度和相 率谱密度）与载波功率之比，其表达式为￡（，）一 鲁， Ｄ 』 式中：Ｐ 为测得的偏离载频厂处一个相位调制边带的平 均功率，单位为Ｗ；Ｐ 为载波功率，单位为ｗ＿２］。 相位噪声广泛应用于描述频域频率稳定度的随机特 性。相位噪声测量方法有多种。双振荡器方法利用两个 信号源，将信号输入到鉴相器进行混频，在鉴相器出口监 测电压起伏。单振荡器方法利用一个信号源，采用延迟线 或频率腔作为调幅鉴频器，在鉴频器出口通过监测电压起 位噪声已成为计量测试领域中越来越受到重视、并得到深 入研究的一个参量 ］。 在频率源内部，噪声对振荡信号的频率和相位均会产 伏来测量频率起伏 ］。 生调制。调制的结果，在时间域里观测输出频率或相位随 时间随机起伏。在频率域里观测输出信号不是一根单一的 谱线，而是在信号谱线的两侧出现了噪声边带。相位噪声 是由内部噪声引起，频率源输出频率的随机相位或频率起 ２相位噪声比对的意义 现在应用于航天通信领域的铷钟和氢钟的相位噪声 特性直接影响其发挥作用的精度，信号的幅度波动和相位 伏，通常用各种谱密度表示。单边带相位噪声￡（厂）是指 偏离载频，处，信号的一个相位调制边带的功率密度（功 波动直接影响仪器设备的准确性，相位噪声测量的准确性 就显得尤为重要。 收稿日期：２０１３—０１ ２２一 国外电子测量技术 中国科技核心期刊 己口Ｉ］年／４月 第］己卷第４期 相位噪声比对可以识别实验室间的差异及评价其适 用性，保证相位噪声测量结果的质量。通过实施相位噪声 测量系统的量值比对，利用验证结果，可客观的评价参比 实验室相位噪声项目校准的技术能力，对相位噪声标准性 能完好及测量结果的质量，提高置信度，验证实验室的持 续能力，具有重要的现实意义ｌ＿４］。 ３相位噪声比对方案 ３．１相位噪声检定系统 由相位噪声标准装置对量值统一校准源进行计量检 定 ，相位噪声标准装置主要由噪声测量接口、动态信号 分析仪组成。检定系统组成如图１所示。 图１ 相位噪声标准装置检定系统 ３．２相位噪声比对的测量步骤 １）连接相位噪声测量系统和被测件。 ２）进入相位噪声测量主界面，设置载波频率，设置电 调谐中心电压及调谐范围。 ３）测量方法选“锁相环法测量相位噪声”。 ４）测量相位检波常数是。。 ５）调整控制电压或调节参考源的输出频率，使两路信 号频率一致，在系统程序的控制下，锁相环关闭，两路信号 相位正交，测量傅里叶分析频率为１Ｏ Ｈｚ～１ ＭＨｚ的单边 带相位噪声。 ６）用ＭＡＲＫＥＲ读取傅里叶分析频率为１０ Ｈｚ～ １ ＭＨｚ的单边带相位噪声测量值，将测量结果填人相位噪 声比对记录表格，记录的测量值单位为ｄＢｃ／Ｈｚ。 ３．３检定依据 比对方法采用ＧＪＢ／Ｊ３４１４－－９８￣相位噪声测试系统检 定规程》ｌ６］。 ３．４测量结果不确定度评定［，］ 相位噪声测量结果不确定度包括： 相位噪声测量系统引入的不确定度“ ； 参考源引入的不确定度“ ； 相位噪声读数误差引入的不确定度“ ； 测量重复性引入的不确定度“ 。 中国科技核心期刊 理论与方法 ４相位噪声不确定度评定报告 ４．１ 相位噪声测量结果不确定度的来源 １）相位噪声测量系统引入的不确定度“ 相位噪声测量系统技术手册给出ｎ一２ ｄＢ 一导一 一１．１５５ ｄＢ取 一√ （均匀分布）。 √３ ２）参考源引入的不确定度 在实际测量中，一般很难满足参考源相位噪声优于被 测源相位噪声１０ ｄＢ以上时，常常采用比对测量方法进行 测试，此时参考源对测量结果的贡献为±３ ｄＢ，即区间半 宽度口为３ ｄＢ，“。一导一 ３—１．７３２ ｄＢ取七一 （均匀 √３ 分布）。 ３）相位噪声读数误差引入的不确定度“ 读数误差引入的允许误差限为士１ ｄＢ，即区间半宽度 ａ为１ ｄＢ，“。一 一万１一ｏ・５７７ ｄＢ取是一 （均匀分 布）。 ４）测量重复性引入的不确定度“ “ 一 “４一— 一 一Ｕ．ｏ．１０Ｕ２ ｄＢ Ｚ ａ廿 单边带相位噪声Ｌ［ｆ］的测量。 表１载频，０＝１０ ＭＨｚ标准频率输出 Ｓ （ｚ）／ｄＢ ４．２测量结果的合成标准不确定度 一 ■ ＝ 一￣／１．１５５ ＋１．７３２ ＋０．５７７ ＋０．１０２ —２ ｄＢ 国外电子测量技术 一２３— 理论与 法 ｜ｌｊｉ ４．３扩展不确定度Ｕ Ｕ—ｋｕ 一２ Ｘ ２ ｄＢ一４ ｄＢ置信水平为９５ ，ｋ一２ ５相位噪声比对数据处理 主持实验室对相位噪声量值统一校准源定值，并将其 作为参考值Ｖ ，比对实验室分别对该被测件进行测量， 按规定给出测量结果ＶＬＡ。，并报告主持实验室 ］。 数据处理、统计分析采用标准化误差Ｅ 值对比对实 验室测量结果的质量进行评价，并按规定的程序将测量结 果反馈参比实验室 ］。 Ｅ一 兰＝ ￣／Ｕ 。＋Ｕ ， 式中：ＶＬＡ 为参比实验室的测量结果；Ｖ 为主持实验室 的测量结果；ＵＬＡ。为参比实验室报告的不确定度；Ｕ 为 主持实验室报告的不确定度。 对于一个结果可接受的Ｅ 值，应该满足ｌ Ｅ｝≤１（越 接近零越好）。 ６ 实验结果 采用文中阐述的相位噪声测量方法，按照设定的相位 噪声比对方案，依据ＧＪＢ／Ｊ ３４１４—９８《相位噪声测试系统 检定规程》比对方法，在不同的实验室之间对同一被测源 进行测量，对相位噪声测量结果的不确定度进行评定，对 比对结果进行分析处理 。通过对相位噪声测量系统的 比对数据进行分析，与主持实验室的测量结果进行比较， 分析系统的Ｅ 值，验证系统的性能和实验室的环境条件、 能力水平，提高实验室的计量保障能力 。 表２实验室测量结果Ｅ 值 分析频率— —ｉ —１ ０西Ｍ ＨＺ 实验室 测量值ＶＬＡＢ一１３５．１—１５４．１—１５９．５—１５９．０—１６１．０ ／（ｄＢｃ／Ｈｚ） ｌ Ｅ Ｉ≤１，则比对实验室结果为满意。 ｌ Ｅ １＞１，则比对实验室结果为不满意。 ｕＬＡ。和ｕ ＥＦ的置信水平均为９５ 。 一２４一 国外电子测量技术 己口Ｉ］年１４月 第］己卷第４期—一通过以上的实验结果表明，实验室测量结果的Ｅ 值 均小于１。则表明实验室的相位噪声标准性能完好，能够 保证测量结果的质量，具有较高的置信度，验证了实验室 的持续能力。 ７ 结 论 此次实验室相位噪声比对，确定了正确的比对方法，对 测量结果的不确定度进行了全面合理的分析，通过Ｅ值的大 小来判断实验室结果的满意度，比对活动取得了理想的效果。 但通过实验室比对可以发现，采用统一标准源对不同的测量 标准（ＨＰ３０４８Ａ，ＰＮｇ０００，Ｅ５５００）存在一些不足：输出信号单 一，不能同时满足三套系统的高指标相位噪声的测量要求。 改变单一标准源，需要选择不同输出功率和不同频率稳定度 的频率源，满足相位噪声测量系统中各个检相器对输入信号 的要求，从而保证全面评价实验室的测量技术能力。总之，通 过相位噪声比对活动可以综合评价一个实验室的计量测试 活动的规范性、合理性、可靠性，具有很好的实际意义。 参考文献 Ｅ１］ 张志鑫．基于信号源与频谱仪的相位噪声测试软件设 计［Ｊ－１．国外电子测量技术，２０１２，３１（３）：６５—６７． ［２］张亦驰，林茂六，苟元潇，等．基于多音激励的ＮＶＮＡ 多谐波／互调相位参考实现方法［Ｊ］．仪器仪表学报， ２Ｏ１２，３３（８）：１７４１－１７４７． ［３］卢炳，马向峰，曹旭东，等．双路相参脉间随机捷变频 频综的设计与仿真［Ｊ］．电子测量技术，２０１１，３４（２）： １Ｏ一１３． ［４］韩红．相位噪声测量系统能力验证比对数据分析［Ｊ］． 全国频率控制技术年会论文集，２００８：４８—５０． ［５］刘红春，刘红运．相位噪声测试系统比对方法研 究ｌ－Ｊ－］．半导体技术，２００８，３３（９）：８１４—８１６． ［６］ ＧＪＢ／Ｊ ３４１４—９８相位噪声测试系统检定规程［Ｓ］．１９９８． ［７］徐波，刘从跃．相位噪声测量不确定度分析［Ｊ］．电子 质量，２００８（１）：９－１０，１３． ［８］沈世科．相位噪声测试结果的分析与应用［Ｊ］．计量技 术，２００８（３）：３６—３８． ［９］杨沛，张磊，王平连，等．锁相环相位噪声的研究与仿 真ＥＪ］．电子测量技术，２００９，３２（４）：３５—３７． ［１Ｏ］杨文可．时频信号相位噪声分析与辨析研究［Ｄ］．长 沙：国防科学技术大学，２００８． ［１１］魏志强，刘祖深，黄武，等．宽带低相噪分立ＶＣＯ的设 计［Ｊ］．电子测量与仪器学报，２０１１，２５（９）：８１７—８２２． 作者简介 杜福鹏：１９７６年出生，工学硕士，工程师，主要研究方 向为时频测试技术、测量与自动控制技术等。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｕｍａｙｉｈａｎｇ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ 中国科技核心期刊
