一種相位噪聲測量裝置的製作方法
2023-12-09 23:46:46 3
專利名稱：一種相位噪聲測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電子測量技術領域，具體涉及一種相位噪聲測量裝置。
背景技術：
隨著電子產品性能要求的提高，對信號源和頻率源性能的要求也隨之提高，從而相位噪聲受到更廣泛的重視。例如對於一臺高性能的核磁共振譜儀來說，時鐘源的相位噪聲非常重要。但是現有的相位噪聲測量方法都需要一個參考源，而且該參考源相位噪聲水平要求很高，否則會限制相位噪聲測量系統，無法充分發揮其效用。傳統的相位噪聲檢測通常有以下幾種方式一種是採用正交檢相技術，將參考源與待測源的輸出信號通過鎖相環鎖定在相位正交狀態下，由鑑相器將相位信號轉換為電壓信號，經過濾波和放大輸出到頻譜分析儀進行分析，這種方法的缺點在於測量的頻率範圍有限，必須有參考源。而且參考源 的相噪水平要求很高。另一種為交叉相關的PLL模式，通過功分器將參考源與待測源的輸出分為兩組，分別輸出到兩個一致性很好的檢相系統，然後將兩個檢相系統的輸出通過FFT做相關處理，從而消除非相關的噪聲，降低測量系統的底噪，這種方法的缺點是需要通過多次採樣和做相關處理，來消除非相關噪聲，測量裝置非常龐大。還有一種常見方法為外部參考源加數位訊號處理，通過ADC分別對參考源和待測源進行採樣，對採樣得到的信號進行數字下變頻和檢相，然後把經過數位訊號處理的兩路信號相減得到相差，在進行DFT變化得到相噪的頻譜圖，這種方法的缺點是待測源的帶寬和系統的底噪收到AD的限制。
實用新型內容本實用新型主要解決的技術問題是提供一種相位噪聲測量裝置，使得在無需引入外部參考源的情況下實現相位噪聲的測量，解決了因模擬參考源而引入的噪聲的問題。為了解決上述技術問題，本實用新型採用如下技術方案一種相位噪聲測量裝置，包含一源信號預處理模塊和一 FPGA晶片，所述源信號預處理模塊的輸入端與待測的模擬信號源相連，所述FPGA晶片上包含一信號分析器、和一參考源信號發生器；所述源信號預處理模塊的輸出端與所述FPGA晶片上的參考源信號發生器相連，向所述參考源信號發生器輸出由待測模擬信號預處理得到的待測數位訊號；所述參考源信號發生器與所述信號分析器相連，向所述信號分析器輸出由所述待測數位訊號轉換得到的參考源信號；所述信號分析器的輸入端分別與所述源信號預處理模塊和所述參考源信號發生器相連，對所述源信號預處理模塊輸出的待測數位訊號、和所述參考源信號發生器輸出的參考源信號進行分析，輸出相位噪聲測量結果。進一步改進，所述參考源信號發生器中包含第一濾波器、一增益放大模塊、一積分器、一初始相位輸入源、一加法器、和一數字控制振蕩器；所述第一濾波器與所述源信號預處理模塊相連，對所述源信號預處理模塊輸出的待測數位訊號進行濾波，將所述待測數位訊號限定在一預設頻帶並輸出一個頻率字；[0010]所述增益放大模塊與所述第一濾波器相連，調整所述第一濾波器輸出的頻率字的增益；所述積分器與所述增益放大模塊相連，將所述增益放大模塊輸出的頻率字轉換為相位字；所述數字控制振蕩器的輸入端通過所述加法器與所述初始相位輸入源和所述積分器的輸出端相連，以所述輸入的初始相位為參考，對所述積分器輸出的相位字進行鎖相，鎖定在所述預設頻帶上，輸出鎖定後的參考源信號。進一步的，所述源信號預處理模塊中包含一自動增益控制模塊和一模數轉換器；所述自動增益控制模塊的輸入端與所述待測的模擬信號源相連，輸出端與所述模數轉換器相連，所述模數轉換器的輸出端與所述自動增益控制模塊構成一反饋電路。 進一步的，所述信號分析器包含一混頻器、第二濾波器、和一時域-頻域轉換模塊；所述混頻器的輸入端分別與所述源信號預處理模塊和所述參考源信號發生器相連，對所述源信號預處理模塊輸出的待測數位訊號、所述參考源信號發生器輸出的參考源信號進行卷積；所述第二濾波器與所述混頻器相連，對所述混頻器的輸出結果進行濾波；所述時域-頻域轉換模塊與所述第二濾波器相連，對所述第二濾波器輸出的濾波結果進行時域-頻域轉換，輸出一相位噪聲測量結果。本實用新型通過FPGA (Field — Programmable Gate Array,現場可編程門陣列)對參考源信號進行實現，避免了引入外部噪聲，很大程度上降低了系統底噪。同時也對待測源降低了噪聲、帶寬等各方面的要求，該裝置抗幹擾能力強，不會受外界環境噪聲影響，因此特別適用於核磁共振等強磁幹擾環境中。該系統體積小，便於攜帶，利於工程使用。
圖I是本實用新型一較佳實施例的相位噪聲測量裝置結構圖；圖2是本實用新型一較佳實施方式的應用實例示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型的實施方式作進一步地詳細描述。本方案的具體實施方式
為一種相位噪聲測量裝置，包含一源信號預處理模塊和一FPGA晶片，所述源信號預處理模塊的輸入端與待測的模擬信號源相連，所述FPGA晶片上包含一信號分析器、和一參考源信號發生器。具體參見圖1，所述源信號預處理模塊的輸出端與所述FPGA晶片上的參考源信號發生器相連，向所述參考源信號發生器輸出由待測模擬信號預處理得到的待測數位訊號；參考源信號發生器與所述信號分析器相連，向所述信號分析器輸出由所述待測數位訊號轉換得到的參考源信號；所述信號分析器的輸入端分別與所述源信號預處理模塊和所述參考源信號發生器相連，對所述源信號預處理模塊輸出的待測數位訊號、和所述參考源信號發生器輸出的參考源信號進行分析，輸出相位噪聲測量結果。[0024]參考源信號發生器中包含第一濾波器、一增益放大模塊、一積分器、一初始相位輸入源、一加法器、和一數字控制振蕩器(NCO);第一濾波器與所述源信號預處理模塊相連，對所述源信號預處理模塊輸出的待測數位訊號進行濾波，將所述待測數位訊號限定在一預設頻帶並輸出一個頻率字；所述增益放大模塊與所述第一濾波器相連，調整所述第一濾波器輸出的頻率字的增益；所述積分器與所述增益放大模塊相連，將所述增益放大模塊輸出的頻率字轉換為相位字；所述數字控制振蕩器的輸入端通過所述加法器與所述初始相位輸入源和所述積分器的輸出端相連，以所述輸入的初始相位為參考，對所述積分器輸出的相位字進行鎖相，鎖定在所述預設頻帶上，輸出鎖定後的參考源信號。所述源信號預處理模塊中包含一自動增益控制模塊(AGC)和一模數轉換器(ADC);所述自動增益控制模塊的輸入端與所述待測的模擬信號源相連，輸出端與所述模數轉換器相連，所述模數轉換器的輸出端與所述自動增益控制模塊構成一反饋電路。所述信號分析器包含一混頻器、第二濾波器、和一時域-頻域轉換模塊；所述混頻器的輸入端分別與所述源信號預處理模塊和所述參考源信號發生器相連，對所述源信號預處理模塊輸出的待測數位訊號、所述參考源信號發生器輸出的參考源信號進行卷積；所 述第二濾波器與所述混頻器相連，對所述混頻器的輸出結果進行濾波；所述時域-頻域轉換模塊與所述第二濾波器相連，對所述第二濾波器輸出的濾波結果進行時域-頻域轉換，輸出一相位噪聲測量結果。優選的實施例中，第一濾波器可以是全數字的帶寬可調濾波器(IIR)，第二濾波器為有限衝激響應濾波器(FIR)。時域-頻域轉換模塊，具體可以是傅立葉變換模塊、離散傅立葉變換模塊(DFT)、或拉普拉斯變換模塊等等，較佳的方式為快速傅立葉變換模塊(FFT)。如圖I所示，經過ADC採樣的信號帶寬很寬，經IIR濾波器濾波後將信號限定在某一頻帶並輸出一個頻率字，由於NCO需要輸入一個相位字將頻率鎖定，所以IIR輸出的頻率字經過一個積分器轉換為相位字輸出給NC0。外部信號的輸入對於NCO來說是一個不確定的值，所以NCO需要輸入一個初始頻率字來作參考。NCO經過一定時間鎖相後鎖定在該頻率上，鎖定後將鎖定指示信號輸出給下位機，並將NCO的輸出與待測信號經過混頻器相乘，由於兩個輸入信號同頻，差頻分量即為相位噪聲，和頻分量經過FIR濾波器被濾除掉，然後經過FFT變換就可看到相位噪聲結果了。圖2為本實用新型的一個應用實例，圖中所述的噪聲測試模塊即本實用新型所述裝置。主要通過本模塊對儀器中的時鐘源進行相位噪聲測量，把時鐘源的輸出接到本實用新型的待測源接口上，將本實用新型的輸出接到示波器上，然後可以看到所測時鐘源的相位噪聲頻譜圖進行分析了。本實用新型通過FPGA (Field — Programmable Gate Array,現場可編程門陣列)對參考源信號進行實現，避免了引入外部噪聲，很大程度上降低了系統底噪。同時也對待測源降低了噪聲、帶寬等各方面的要求。由於NCO與IIR為全數字實現，不存在參考源噪聲的問題。該裝置抗幹擾能力強，不會受外界環境噪聲影響，因此特別適用於核磁共振等強磁幹擾環境中。該系統體積小，便於攜帶，利於工程使用。雖然通過參照本方案的實施方式，已經對本實用新型進行了圖示和描述，但本領域的普通技術人員應該明白，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本實用新型的精神和 範圍。
權利要求1.一種相位噪聲測量裝置，包含一源信號預處理模塊和一 FPGA晶片，所述源信號預處理模塊的輸入端與待測的模擬信號源相連，其特徵在於，所述FPGA晶片上包含一信號分析器、和一參考源信號發生器； 所述源信號預處理模塊的輸出端與所述FPGA晶片上的參考源信號發生器相連，向所述參考源信號發生器輸出由待測模擬信號預處理得到的待測數位訊號； 所述參考源信號發生器與所述信號分析器相連，向所述信號分析器輸出由所述待測數位訊號轉換得到的參考源信號； 所述信號分析器的輸入端分別與所述源信號預處理模塊和所述參考源信號發生器相連，對所述源信號預處理模塊輸出的待測數位訊號、和所述參考源信號發生器輸出的參考源信號進行分析，輸出相位噪聲測量結果。
2.根據權利要求I所述的相位噪聲測量裝置，其特徵在於，所述參考源信號發生器中包含第一濾波器、一增益放大模塊、一積分器、一初始相位輸入源、一加法器、和一數字控制振蕩器； 所述第一濾波器與所述源信號預處理模塊相連，對所述源信號預處理模塊輸出的待測數位訊號進行濾波，將所述待測數位訊號限定在一預設頻帶並輸出一個頻率字； 所述增益放大模塊與所述第一濾波器相連，調整所述第一濾波器輸出的頻率字的增.、M ; 所述積分器與所述增益放大模塊相連，將所述增益放大模塊輸出的頻率字轉換為相位字； 所述數字控制振蕩器的輸入端通過所述加法器與所述初始相位輸入源和所述積分器的輸出端相連，以所述輸入的初始相位為參考，對所述積分器輸出的相位字進行鎖相，鎖定在所述預設頻帶上，輸出鎖定後的參考源信號。
3.根據權利要求I或2所述的相位噪聲測量裝置，其特徵在於，所述源信號預處理模塊中包含一自動增益控制模塊、和一模數轉換器； 所述自動增益控制模塊的輸入端與所述待測的模擬信號源相連，輸出端與所述模數轉換器相連，所述模數轉換器的輸出端與所述自動增益控制模塊構成一反饋電路。
4.根據權利要求I或2所述的相位噪聲測量裝置，其特徵在於，所述信號分析器包含一混頻器、第二濾波器、和一時域-頻域轉換模塊； 所述混頻器的輸入端分別與所述源信號預處理模塊和所述參考源信號發生器相連，對所述源信號預處理模塊輸出的待測數位訊號、所述參考源信號發生器輸出的參考源信號進行卷積； 所述第二濾波器與所述混頻器相連，對所述混頻器的輸出結果進行濾波； 所述時域-頻域轉換模塊與所述第二濾波器相連，對所述第二濾波器輸出的濾波結果進行時域-頻域轉換，輸出一相位噪聲測量結果。
專利摘要本實用新型公開了一種相位噪聲測量裝置，包含一源信號預處理模塊和一FPGA晶片，所述源信號預處理模塊的輸入端與待測的模擬信號源相連，所述FPGA晶片上包含一信號分析器、和一參考源信號發生器。本實用新型通過FPGA對參考源信號進行實現，避免了引入外部噪聲，很大程度上降低了系統底噪。同時也對待測源降低了噪聲、帶寬等各方面的要求。
文檔編號G01R29/26GK202502168SQ20122010761
公開日2012年10月24日 申請日期2012年3月21日 優先權日2012年3月21日
發明者劉子盟, 王木林 申請人:上海聯影醫療科技有限公司