抗振晶體振蕩器相位噪聲測試方法的對比研究

摘要 目前電子系統(tǒng)都要求對晶體振蕩器進行振動狀態(tài)下相位噪聲測試。但對于抗振晶體振蕩器，按照常規(guī)相位噪聲測試方法進行測試時其結(jié)果有可能不正常。文中分析了抗振晶體振蕩器振動狀態(tài)下的相位噪聲及測試方法，通過對比測試發(fā)現(xiàn)，不同的測試系統(tǒng)其測試結(jié)果也不相同。通過系統(tǒng)設(shè)置和實驗驗證，解決了測試結(jié)果不正常的問題，使測試結(jié)果達成一致。

在電子系統(tǒng)中，晶體振蕩器的相位噪聲是一項重要的技術(shù)指標，無論是靜止還是振動狀態(tài)都要求進行測試相位噪聲性能。對于常規(guī)晶體振蕩器靜止狀態(tài)下的相位噪聲，常規(guī)相位噪聲測試系統(tǒng)都能準確地進行相位噪聲測試。但抗振晶體振蕩器振動狀態(tài)下的相位噪聲曲線與常規(guī)晶體振蕩器有較大不同。如果整機系統(tǒng)直接按常規(guī)晶體振蕩器的測試方法對抗振晶體振蕩器進行測試，測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試方法，通過對比測試發(fā)現(xiàn)不同測試系統(tǒng)存在測試結(jié)果不同的問題。最終通過系統(tǒng)設(shè)置和實驗驗證，解決了測試結(jié)果不正常的問題，使測試結(jié)果達到一致。

1 相位噪聲的測試方法

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

被測件的相位噪聲可表示為

一方面可以通過增加相關(guān)次數(shù)NCorrelation消除測試系統(tǒng)的誤差，最大限度降低測試系統(tǒng)的影響。另一方面測試時不需要參考源鎖定，測試比較方便，且測試速度快。E5052A信號源分析儀的測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)晶體振蕩器振動狀態(tài)下的相位噪聲相對于靜止狀態(tài)會有約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晶體振蕩器進行抗振設(shè)計，減振器的諧振頻率約為30 Hz，降低晶體振蕩器遠端的相位噪聲，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，與未減振時差別不大，并且在30 Hz處附近會有諧振放大而惡化。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50～60 dB。

3 對比測試

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

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

4 實驗驗證與數(shù)據(jù)分析

E5052A信號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)的噪底不會因為晶體振蕩器的相位噪聲變差而受到影響，測試結(jié)果即為抗振晶體振蕩器實際的動態(tài)相位噪聲。而PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)在進行相位噪聲測試時，每10倍頻程為一段，從遠端開始逐一測試。初始中頻增益自動設(shè)置為90 dB。在測試每一頻段時首先對噪聲進行掃描和評估此段頻偏處的相位噪聲。如果相位噪聲較差時，測試系統(tǒng)則會自動降低該段頻偏處的中頻增益，否則系統(tǒng)將無法進行測試或測試結(jié)果不正常。但由于中頻增益的下降此時測試系統(tǒng)的噪底也會相應惡化，測試結(jié)果有可能不正常，最終無法準確測量抗振晶體振蕩器的相位噪聲。

將PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)的中頻增益設(shè)置為固定值時，測試100 MHz抗振晶體振蕩器靜止狀態(tài)下的相位噪聲，測試結(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時的靜態(tài)相位噪聲測試結(jié)果。中頻增益的降低對系統(tǒng)本底將會惡化，特別是對100 Hz以后的相位噪聲的測試影響較大。所以測試系統(tǒng)噪底的惡化將不能準確地測量抗振晶體振蕩器的相位噪聲。中頻增益至少80 dB時才能準確測試此抗振晶體振蕩器的靜態(tài)相位噪聲。

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

為解決此問題，重新設(shè)置PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)的功能設(shè)置。增加PN8000相位噪聲測試系統(tǒng)中的噪底優(yōu)化功能。此噪底優(yōu)化功能主要是通過將測試系統(tǒng)中測試軟件的采樣點進行細分，增加采樣數(shù)據(jù)量，降低測試系統(tǒng)的影響。所以增加噪底優(yōu)化的功能后，可以降低測試系統(tǒng)的噪底，但同時由于數(shù)據(jù)量增加較大，測試時間將會延長。增加噪底優(yōu)化的功能后。測試結(jié)果如圖6所示，中頻增益達到60 dB時就能準確測試此抗振晶體振蕩器的靜態(tài)相位噪聲。

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

5 結(jié)束語

本文分析了抗振晶體振蕩器的相位噪聲及其兩種測試方法，通過增加優(yōu)化噪底功能和對比實驗，解決了抗振晶體振蕩器在兩種測試系統(tǒng)中測試結(jié)果不同的問題，使兩種測試系統(tǒng)的測試結(jié)果達成一致，為分析抗振晶體振蕩器和整機系統(tǒng)的動態(tài)相位噪聲測試問題提供了參考。