抗振晶體振蕩器相位噪聲測試方法的對比研究

摘要 目前電子系統都要求對晶體振蕩器進(jìn)行振動(dòng)狀態(tài)下相位噪聲測試。但對于抗振晶體振蕩器，按照常規相位噪聲測試方法進(jìn)行測試時(shí)其結果有可能不正常。文中分析了抗振晶體振蕩器振動(dòng)狀態(tài)下的相位噪聲及測試方法，通過(guò)對比測試發(fā)現，不同的測試系統其測試結果也不相同。通過(guò)系統設置和實(shí)驗驗證，解決了測試結果不正常的問(wèn)題，使測試結果達成一致。

在電子系統中，晶體振蕩器的相位噪聲是一項重要的技術(shù)指標，無(wú)論是靜止還是振動(dòng)狀態(tài)都要求進(jìn)行測試相位噪聲性能。對于常規晶體振蕩器靜止狀態(tài)下的相位噪聲，常規相位噪聲測試系統都能準確地進(jìn)行相位噪聲測試。但抗振晶體振蕩器振動(dòng)狀態(tài)下的相位噪聲曲線(xiàn)與常規晶體振蕩器有較大不同。如果整機系統直接按常規晶體振蕩器的測試方法對抗振晶體振蕩器進(jìn)行測試，測試曲線(xiàn)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(guò)對比測試發(fā)現不同測試系統存在測試結果不同的問(wèn)題。最終通過(guò)系統設置和實(shí)驗驗證，解決了測試結果不正常的問(wèn)題，使測試結果達到一致。

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(shí)需要一個(gè)參考源，被測件被鎖定在參考源時(shí)才能進(jìn)行測試，PN8000相位噪聲測試系統就是采用正交技術(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(guò)增加相關(guān)次數NCorrelation消除測試系統的誤差，最大限度降低測試系統的影響。另一方面測試時(shí)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

常規晶體振蕩器振動(dòng)狀態(tài)下的相位噪聲相對于靜止狀態(tài)會(huì )有約50 dB的惡化。所以常規抗振晶體振蕩器一般都是采用減振方式對晶體振蕩器進(jìn)行抗振設計，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晶體振蕩器的動(dòng)態(tài)相位噪聲曲線(xiàn)有所不同。在10～100 Hz之間，相位噪聲最差，與未減振時(shí)差別不大，并且在30 Hz處附近會(huì )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(dòng)條件下，分別使用E5052A信號源分析儀和PN8000相位噪聲測試系統對同一只抗振晶體振蕩器進(jìn)行相位噪聲測試，輸出頻率為100 MHz，測試曲線(xiàn)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(xiàn)正常，在頻偏1 kHz處的動(dòng)態(tài)相位噪聲曲線(xiàn)是連續的，為-148 dBc/Hz。但在圖5中PN8000相位噪聲測試系統的測試曲線(xiàn)明顯不正常，在頻偏10～400 Hz和1 kHz～1 MHz處，PN8000相位噪聲測試系統與E5052A信號源分析儀測試結果一致。而在頻偏100 Hz～1 kHz處，頻偏1 kHz處的動(dòng)態(tài)相位噪聲為-138dBc/Hz。在頻偏1～10kHz處，頻偏1 kHz處的動(dòng)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(xiàn)呈現臺階狀態(tài)。

4 實(shí)驗驗證與數據分析

E5052A信號源分析儀的中頻增益在所有頻偏處設置為固定值，所以系統的噪底不會(huì )因為晶體振蕩器的相位噪聲變差而受到影響，測試結果即為抗振晶體振蕩器實(shí)際的動(dòng)態(tài)相位噪聲。而PN8000相位噪聲測試系統在進(jìn)行相位噪聲測試時(shí)，每10倍頻程為一段，從遠端開(kāi)始逐一測試。初始中頻增益自動(dòng)設置為90 dB。在測試每一頻段時(shí)首先對噪聲進(jìn)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(shí)，測試系統則會(huì )自動(dòng)降低該段頻偏處的中頻增益，否則系統將無(wú)法進(jìn)行測試或測試結果不正常。但由于中頻增益的下降此時(shí)測試系統的噪底也會(huì )相應惡化，測試結果有可能不正常，最終無(wú)法準確測量抗振晶體振蕩器的相位噪聲。

將PN8000相位噪聲測試系統的中頻增益設置為固定值時(shí)，測試100 MHz抗振晶體振蕩器靜止狀態(tài)下的相位噪聲，測試結果如圖5所示，曲線(xiàn)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(shí)的靜態(tài)相位噪聲測試結果。中頻增益的降低對系統本底將會(huì )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(shí)才能準確測試此抗振晶體振蕩器的靜態(tài)相位噪聲。

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

為解決此問(wèn)題，重新設置PN8000相位噪聲測試系統的功能設置。增加PN8000相位噪聲測試系統中的噪底優(yōu)化功能。此噪底優(yōu)化功能主要是通過(guò)將測試系統中測試軟件的采樣點(diǎn)進(jìn)行細分，增加采樣數據量，降低測試系統的影響。所以增加噪底優(yōu)化的功能后，可以降低測試系統的噪底，但同時(shí)由于數據量增加較大，測試時(shí)間將會(huì )延長(cháng)。增加噪底優(yōu)化的功能后。測試結果如圖6所示，中頻增益達到60 dB時(shí)就能準確測試此抗振晶體振蕩器的靜態(tài)相位噪聲。

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

5 結束語(yǔ)

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(guò)增加優(yōu)化噪底功能和對比實(shí)驗，解決了抗振晶體振蕩器在兩種測試系統中測試結果不同的問(wèn)題，使兩種測試系統的測試結果達成一致，為分析抗振晶體振蕩器和整機系統的動(dòng)態(tài)相位噪聲測試問(wèn)題提供了參考。