本文簡單介紹了脈沖調制信號的頻譜特性，然后以PN9000相位噪聲測試系統和R&S公司的FSWP相位噪聲分析儀為例，介紹了脈沖調制信號相位噪聲測試原理，測試中解決的問題，并給出了實際測試結果，對測試結果進行了分析，希望對相關人員有一定的幫助。

1. 引言

信號的短期頻率穩定度是衡量信號質量的重要因素，它直接影響著系統的性能．相位噪聲是描述信號短期頻率穩定度的重要指標[1]，特別是在雷達、通信、導航等領域，相位噪聲成為提高系統性能的關鍵因素。在雷達領域，雷達探測目標時，發射的基本都是脈沖調制信號，其相位噪聲是決定雷達探測距離、目標分辨率、抗干擾度等性能的關鍵指標，脈沖調制信號相位噪聲測量對很多系統來說具有一定的現實意義。

脈沖調制信號是由連續波信號經脈沖調制后得到的，其相位噪聲特性與其連續波信號具有一定的相關性，但也有不同。通常的脈沖調制信號中有用信息的時間短，無用信息的時間長，使載頻信號的頻譜混合重疊，相位噪聲增加，給測量帶來困難，其測試原理更復雜，過程也更繁瑣。

2. 脈沖調制信號的頻譜特性

脈沖調制信號就是脈沖信號對連續波的幅度調制，在時域可以看作是連續波信號與脈沖信號的乘積，在頻域可以看作是連續波信號頻譜和調制波信號頻譜的卷積，如圖1所示。

圖1 脈沖調制信號頻譜特性

圖中a是連續波（載波）信號的波形，b是脈沖（調制波）信號的波形，c是連續波信號的頻譜，d是脈沖信號的頻譜，e是連續波和脈沖乘積的波形，f是連續波和脈沖卷積的頻譜。

載波信號經過脈沖調制，在時域上出現不連續，在頻域上以sinc函數的包絡進行頻譜擴展。當載波存在噪聲時，調制使得載波噪聲混雜到脈沖調制頻譜的每一根脈沖重復頻率(PRF)譜線中，同樣在頻域上以sinc函數的包絡進行頻譜擴展，受它們和的影響，載波頻率處，即中心譜線的合成噪聲將會增加，如圖2所示。

圖2 脈沖調制信號相位噪聲特性

依據取樣定理，偏移載波頻率大于PRF/2頻偏的相位噪聲信息將被添加到中心譜線PRF/2頻偏范圍內。

當脈寬固定時，譜線寬度與PRF成反比，對于固定的脈寬來說，載波頻率處的噪聲增加量與 PRF 成反比[2]。

3. 脈沖調制信號相位噪聲測試原理及特點

3.1 PN9000 相位噪聲測試系統簡介

PN9000相位噪聲測試系統是模塊化的測量系統，相關測量部件都以模塊形式插在主機箱內。根據參考源、頻率范圍和信號分析的需要，系統可進行不同的配置。其基本系統由機箱、配置模塊、電腦、IEEE 接口、電腦主機箱內的數字轉換板和測量軟件組成。

我單位的PN9000相位噪聲測試系統配置有9個模塊，分別是Status 模塊（PN9060）、RF Synthesizer模塊（PN9100）、Microwave Double模塊（PN9151、PN9152）、Phase Detector模塊（PN9341）、Lock Control模塊（PN9451）、Low Noise Amplifier模塊（PN9421）、Noise Output 模塊（PN9490）和Video Filter模塊（PN9813）。

Status模塊提供系統工作所需的電源，提示測試進度、錯誤信息、遠端控制等。

RF Synthesizer模塊提供測試所需要的低噪聲參考信號，該信號源具有壓控功能。

Microwave Double模塊對參考信號倍頻，擴展測試系統的測量范圍。

Phase Detector模塊負責對參考信號和被測信號進行正交檢相，解調被測信號的相位噪聲，將相位噪聲轉換為電壓噪聲。

Lock Control模塊實現鎖相放大，通過直流參考電壓控制并保持輸出信號在測試過程中與參考源相位正交。

Low Noise Amplifier 模塊用來放大檢出的噪聲信號，同時該模塊的“Auxiliary Monitor Output”接口可以監測噪聲信號，該接口監測的信號可通過頻譜分析儀或示波器進行進一步分析。

Noise Output 模塊輸出噪聲電壓信號給數字轉換板和測量軟件進行數據處理。

Video Filter模塊提供截止頻率為1/2PRF的濾波器，是進行脈沖調制信號相位噪聲測試的關鍵模塊。

圖3 PN9000相位噪聲測試系統脈沖調制信號相位噪聲測試原理

PN9000相位噪聲測試系統脈沖調制信號相位噪聲測試原理如圖3所示。脈沖調制信號可以用連續波信號源和脈沖產生調制器模塊（PN9815）組合產生，也可以直接用外部的信號源產生脈沖調制信號，比如用安捷倫公司的E8257D直接產生脈沖調制信號。被測脈沖調制信號和連續波參考信號實現正交檢相，檢出的噪聲電壓信號通過視頻濾波器傳輸給低噪聲放大器，然后進行A/D轉換、FFT等數字處理分析，最后進行顯示[3]。

不同于連續波相位噪聲測試，當被測信號是脈沖調制信號時，存在功率損耗、周期性雜散和直流偏置的問題，PN9000相位噪聲測試系統在硬件上加入了視頻濾波器，在軟件上也有相應的改變，很好的解決了這些問題。

3.2 Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀簡介

附帶R&S FSWP-K4選項的R&S FSWP能夠測量不同脈寬和不同脈沖重復頻率下的相位噪聲，由于采用了更為先進的數字相位解調法，因此它能夠記錄信號，自動計算所有參數，比如脈沖重復頻率、脈沖寬度，自動構建PRF數字濾波器；解調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自動進行，可以通過定義脈沖門參數來避免脈沖沿的瞬態特性給測試結果帶來影響并從而提高靈敏度[4]。同樣還可以使用互相關技術來測量相位噪聲較好的信號源，補償了由于脈沖調制帶來信號靈敏度的降低。式(1)描述了期望達到的動態范圍的提高量：

ΔL=5log(n) (1)

式中：ΔL為通過互相關技術相位噪聲靈敏度的提高量(單位 dB)，n為互相關的次數。

3.3 脈沖調制信號與連續波信號相位噪聲的區別

1）功率損耗

脈沖調制信號的功率，相比于連續波信號的功率，有一定的功率損耗，可以用下式表示：

PLOSS=20lg(τ/T) (2)

例如，當占空比為10%時，脈沖調制信號的功率比連續波信號的功率下降20dB，當占空比為1%時，脈沖調制信號的功率比連續波信號的功率下降40dB。相應地檢測到的相位噪聲信號也下降了相同比例的大小。

2）周期性雜散

脈沖調制信號的功率在載波信號的兩邊以基波和諧波的形式分散開，在PRF的整數倍處形成周期性雜散，這些雜散信號非常強，足以使低噪聲放大器（LNA）飽和。LNA用來提取相位噪聲信號，通過A/D轉換輸出給數字信號處理系統，通常LNA的輸入信號非常小。為了解決這一問題，PN9000相位噪聲測試系統在相位檢波器的輸出和LNA的輸入之間，插入了PRF濾波器。PRF濾波器也稱為視頻濾波器，在測試中其最優化的截止頻率是1/2PRF，因為對于脈沖信號來說只有在這個頻率范圍內的信號才不存在頻率混疊現象，測量得到的是主譜線fc經脈沖調制后的相位噪聲信號。FSWP相對于傳統鑒相器法測量脈沖相位噪聲的一個主要優勢是采用數字濾波模塊，濾除了頻率大于PRF/2的成分。自動構建合適的濾波器來大大簡化測量過程。

3）相位噪聲信號的直流偏置

當參考源是連續波信號而被測信號是脈沖調制信號時，相位檢波器輸出的DC偏置電壓遠遠高于差拍信號的電壓，導致不能校準檢波器，不能實現鎖相控制。如圖6所示，當脈沖關斷期間，參考源在檢相器輸出端產生DC偏置。

圖4脈內相位噪聲信息與脈外無用噪聲曲線圖

使用連續波作為參考源簡化了脈沖調制信號相位噪聲的測試過程，不需要脈沖觸發器控制參考源。

4. 測試結果分析

采用信號發生器8257C作為被測信號源，分別采用PN9000相位噪聲測試系統和Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀，分別對載波1GHz和10GHz信號在連續波和不同占空比條件下進行測試，所得的測試結果如表1~表4所示，單位為dBc/Hz。圖5-6分別為FSWP和PN9000測試載波頻率為10GHz， PRF 10kHz，占空比為50%的脈沖調制信號的結果。

表1 載波頻率1GHz，PRF 1kHz

表2 載波頻率10GHz，PRF 1kHz

表3 載波頻率1GHz，PRF 10kHz

表4 載波頻率10GHz，PRF 10kHz

圖5 FSWP測試載波頻率為10GHz， PRF 10kHz，占空50%信號結果

圖5 PN9000測試載波頻率為10GHz， PRF 10kHz，占空50%信號結果

通過分析可以得出以下結論：

1）脈沖調制后信號的相位噪聲有一定的惡化，占空比越小，惡化的越明顯，連續波信號相位噪聲指標越高，惡化的越明顯。所以如需要表述脈沖調制信號相位噪聲指標，除了載波頻率、頻偏外，還要給出脈沖寬度、占空比等脈沖相關參數，比如載波頻率1GHz、頻偏1kHz、脈沖寬度1μs、占空比1%時的相位噪聲指標為120dBc/Hz。

2）本底噪聲抬高的比例基本符合20 log(τ/T)的理論分析結果。

3）用相位噪聲測試系統只能測試頻偏小于1/2PRF的脈沖調制信號的相位噪聲，頻偏大于1/2PRF的測試數據無意義。

4）Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀和PN9000相位噪聲測試系統測試結果水平相當。

5. 結束語

本文簡單介紹了脈沖調制信號的頻譜特性，然后以PN9000相位噪聲測試系統和Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀為例，介紹了脈沖調制信號相位噪聲測試原理，并給出了實際測試結果，對測試結果進行了分析，實際測試表明，Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀和PN9000相位噪聲測試系統測試結果水平相當，Rohde & Schwarz FSWP相位噪聲分析儀操作更簡潔，無需復雜的參數設置，能夠一鍵完成相位噪聲測試，且測試時間明顯要優于傳統的PN9000相位噪聲測試系統。