APPH信号源分析仪-雷达脉冲调制信号的绝对相位噪声和加性相位噪声测量解决方案

前言

相位噪声是雷达系统性能的重要参数。大多数雷达采用脉冲调制，目标的速度是通过检测雷达反射信号相对于发射器频率的多普勒频移得出的。发射器自身的相位噪声会强烈影响该测量的分辨率和精度，限制了雷达的检测阈值和精度。因此，脉冲信号的相位噪声已成为越来越重要的测量内容。

脉冲雷达系统中相位噪声的贡献可以是累加的，也可以是绝对的，可以使用不同的方法来测量它们，但每种方法都有优点和缺点。锁相环（PLL）方法为加法和绝对测量提供了解决方案，非常适合表征相位噪声性能，因为它具有高动态范围和低本底噪声，并且可重复且可靠。安铂克科技的APPH系列信号源分析仪具有一个高性能指标的本振（LO）输出选项，是表征脉冲信号相位噪声的重要工具。本文首先讨论其在绝对相位噪声测量中的应用，然后讨论放大器等非振荡元件的加性相位噪声测量。

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一、绝对相位噪声

脉冲信号的噪声由来自基准参考源的噪声和脉冲调制引入的噪声组成。图1显示了具有脉冲周期T和脉冲宽度τ的理想脉冲信号的频谱。在高于脉冲重复频率（PRF）之上的部分，脉冲调制可完全屏蔽相位噪声；因此，通常我们可以忽略高于PRF的频率偏移的数据。在PRF附近，信号的相位噪声会通过脉冲调制而增加：载波噪声与第一个频谱图像的总和，该图像向右偏移1/ T。相位噪声的增加取决于脉冲调制的占空比τ/T，并且是确定性的。

图 1：脉冲调制信号的频谱，脉冲宽度为 τ，脉冲周期为 T

PLL测量方法原理是将可调谐LO锁相至被测器件（DUT）的信号。而在脉冲条件下，保持锁相可能很棘手。在 DUT 信号关断时抑制仪器噪声也具有挑战性，尤其是在测量非常窄的脉冲或非常低的占空比时。低PRF或窄脉冲可能导致相位正交的相位漂移，如果处理不当，甚至会导致锁相失锁。在安铂克科技的APPH中，复杂的脉冲检测电路能够可靠地保持锁相，并在脉冲关断时主动抑制仪器背景噪声。因此，APPH能够在极端脉冲参数下可靠地测量脉冲（见图2）。由于锁定过程只能在“开启”期间激活，并且必须在“关断”期间等待，因此极窄的脉冲宽度、低占空比和非常高或非常低的脉冲速率可能难以测量。尽管存在这些挑战，APPH相位噪声分析仪仍可测量脉宽窄至40 ns的脉冲和500 Hz至5 MHz的PRF，占空比可低至0.1%。

图 2：不同调制的3.8 GHz脉冲信号相噪（脉冲宽度为≥40 ns，PRF ≤5 MHz）

二、加性相位噪声

雷达系统中的相位噪声来自各种来源，而不仅仅是频率合成器：最需要值得注意的是脉冲调制器和功率放大器。因此，在分析脉冲雷达系统时，评估经过放大器级而附加的相位噪声是有益的。为了测量附加噪声，放大器必须在实际条件下使用低噪声、脉冲调制信号源工作。
APPH信号源分析仪的LO输出就是用于此目的。图3显示了放大器的双通道、交叉相关相加相位噪声测量的设置。DUT的脉冲参考信号直接在APPH中合成，并分成三条路径，并馈入信号源分析仪的两个REF输入和RF输入。除三路功分器外，只需两个机械移相器即可将参考路径调谐为相位正交，从而消除参考信号的相位噪声，并测量DUT的残余噪声。跨频谱测量可抑制仪器噪声，并显著提高仪器灵敏度。APPH软件会指导用户完成两个校准步骤，使测量几乎像绝对相位噪声测量一样简单。

图 3：使用APPH的内部LO输出进行脉冲加性相位噪声测量：测量原理框图（a）和仪器实际设置的照片（b）

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总结

安铂克科技的APPH信号源分析仪能够轻松可靠地测量脉冲信号的绝对相位噪声和加性相位噪声，最高可达65 GHz。该仪器提供直观可用的标准脉冲（选件：PULSE）或增强型极窄脉冲（选件 NPS）测量。LO前端输出选项提供内部低噪声脉冲信号源的输出，而无需外部源来测量相加相位噪声，并使测量设置更快，更直观，更可靠。