阅读说明：本技术 激光鉴相鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置和测量方法 (Phase noise measuring device and measuring method for laser phase discrimination, frequency discrimination and cross-correlation processing ) 是由 邹卫文 李成功 于磊 钱娜 陈建平 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：一种激光鉴相鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置和测量方法,装置包括：两条相同且独立的测量链路、待测信号源、功分模块和数据采集及互相关算法处理模块,所述的第一测量链路由依次的第一激光源模块、第一光电混频模块和第一光电转换模块构成,所述的第二测量链路由依次的第二激光源模块、第二光电混频模块和第二光电转换模块构成,所述的待测信号源的输出端与所述的功分模块的输入端相连。本发明利用激光器产生低相噪光信号,利用混频器提取出相位噪声。通过两条独立的测量链路,在后端数据处理部分采用互相关算法对链路额外噪声进行抑制,提高了测量链路的噪声灵敏度。(A phase noise measuring device and measuring method of laser phase discrimination frequency discrimination and cross-correlation processing, the device includes: the device comprises two identical and independent measuring links, a signal source to be measured, a power distribution module and a data acquisition and cross-correlation algorithm processing module, wherein the first measuring link is composed of a first laser source module, a first photoelectric frequency mixing module and a first photoelectric conversion module in sequence, the second measuring link is composed of a second laser source module, a second photoelectric frequency mixing module and a second photoelectric conversion module in sequence, and the output end of the signal source to be measured is connected with the input end of the power distribution module. The invention utilizes the laser to generate a low-phase noise optical signal and utilizes the mixer to extract the phase noise. Through two independent measuring links, the additional noise of the links is suppressed by adopting a cross-correlation algorithm in a back-end data processing part, and the noise sensitivity of the measuring links is improved.)

激光鉴相鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及光信息处理技术，特别是一种激光鉴相鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置和测量方法。

背景技术

相位噪声对目前的射频微波处理、雷达探测系统和通讯系统起着越来越重要的影响，其影响着系统的各种指标，在系统结构的研发设计中也有着重要的指导意义，因此准确的相位噪声测量可以有效地提高系统的性能。相位噪声的测量方法主要分为鉴相法、鉴频法和直接频谱测量法，其中鉴相法通过将参考信号与待测信号通过混频并用滤波器滤除高频分量的方法提取出噪声信号，这种方法需要一个优良的参考信号，其噪底决定了测量链路的噪底。一般参考信号的相位噪声需要低于待测信号相位噪声20dBm才可以准确的进行测量，同时再进行混频时参考信号与待测信号之间的相对抖动对测量结果也有着重要的影响，所以通常会搭建锁相环链路来降低抖动，提高测量性能；而鉴频法中需要将待测信号与待测信号延时一段时间后的信号进行混频来完成测量，这种方法可以通过提高延迟线的长度来获得更好的测量性能。

随着雷达探测分辨率的需求提高和信息处理系统的数据速率越来越高，对高频段信号进行大频率带宽相位噪声测量愈加重要。这对电路系统提出了更高的要求，需要电子器件能够满足对高频段的信号测量的要求，当前基于射频器件的相位噪声测量中在待测信号为低频信号时可以获得准确的测量结果，保持很高的噪声灵敏度。但是随着频率的增加，射频器件的带宽难以满足测量条件，在高频处的相位噪声增大，不管是作为噪声测量时的参考源还是后续测量链路中的有源器件，都会引入较高额外的噪声。在鉴相法中，基于射频和微波信号发生器产生的高频段的参考源难以有很低的相位噪声，这会降低测量链路噪声灵敏度。而对于鉴频法，基于射频器件的延迟线的可调范围低，这意味着频率偏移范围也会低。所以受限于本身的带宽限制和噪声性能，射频器件在高频段信号的测量不能达到测量需求。

基于鉴相法和鉴频法的相位噪声测量都需要在混频器中提取出相位噪声，混频所需要的信号由待测信号和另一信号(参考信号或待测信号的延迟信号)组成，这一信号可以由光子技术产生的脉冲替代，其产生的很窄的脉冲可以让信号达到很高的频段，光信号噪声很低的特性也可以提高系统的测量精度。随着微波光子技术的日渐成熟，处理微波信号器件的带宽也越来越大，可以达到很高的测量频段和可调范围，可以提高偏移频率的范围。所以微波光子链路以其大带宽低抖动的优点，可以进行高频段信号的相位噪声测量。

在后端的数据处理部分，由于任何测量链路都会因为有源器件的存在带来额外的噪声，限制了测量方案的噪声灵敏度，可以通过互相关算法将这部分噪声抑制，采用的互相关次数越多，额外噪声可以被抑制的越明显，测量的结果也越准确。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种激光鉴相鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置和测量方法。该方法基于光电混频的原理，利用激光器产生低相噪光信号，利用混频器提取出相位噪声。通过两条独立的测量链路，在后端数据处理部分采用互相关算法对链路额外噪声进行抑制，从而提高了测量链路的噪声灵敏度。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于激光鉴相鉴频互相关处理的相位噪声测量装置，其特点在于，包括：两条相同且独立的测量链路、待测信号源、功分模块和数据采集及互相关算法处理模块，所述的第一测量链路由依次的第一激光源模块、第一光电混频模块和第一光电转换模块构成，所述的第二测量链路由依次的第二激光源模块、第二光电混频模块和第二光电转换模块构成，所述的待测信号源的输出端与所述的功分模块的输入端相连，所述的功分模块将输入的待测信号分为两路：所述的功分模块的第一输出端与所述的第一光电混频模块的第一输入端相连，所述的功分模块的第二输出端与所述的第二光电混频模块的第一输入端相连，所述的第一激光源模块的输出端与所述的第一光电混频模块的第二输入端相连，所述的第二激光源模块的输出端与所述的第二光电混频模块的第二输入端相连，所述的第一光电混频模块的输出端与所述的第一光电转换模块的输入端相连，所述的第二光电混频模块的输出端与所述的第二光电转换模块的输入端相连，所述的第一光电转换模块的输出端与所述的数据采集及互相关算法处理模块的第一输入端相连，所述的第二光电转换模块的输出端与所述的数据采集及互相关算法处理模块的第二输入端相连，所述的数据采集及互相关算法处理模块是具有labview、MATLAB数据处理软件的计算机，所述的计算机的参考时钟端与所述的待测信号模块的参考时钟端相连，所述的计算机的参考时钟端与所述的第一激光源模块、第二激光源模块的参考时钟端相连。

所述的第一激光源模块和第二激光源模块为调制频率梳或主动锁模激光器。

所述的待测信号源为压控振荡器、频综源。

所述的第一光电混频模块和第二光电混频模块为铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器或空间光调制器。

所述的第一光电转换模块和第二光电转换模块为PIN管或APD管。

利用上述所述的基于激光鉴相鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置对待测信号源进行相位噪声的测量方法，该方法包括如下步骤：

1)将待测信号原源的输出端与所述的功分模块的输入端相连；

2)启动所述的计算机，在所述的计算机的控制下，所述的第一激光源模块和第二激光源模块同时工作，所述的第一激光源模块为所述的第一光电混频模块提供光域信号，所述的第二激光源模块为所述的第二光电混频模块提供光域信号；

3)在所述的计算机的控制下，所述的待测信号源输出的待测信号经所述的功分模块分别输入所述的第一光电混频模块和第二光电混频模块；

4)所述的光域信号和待测信号分别在所述的第一光电混频模块和第二光电混频模块完成混频，混频后的信号进入第一光电转换模块和第二光电转换模块后完成光域信号到电信号的转换，并输出给所述的计算机；；

5)所述的数据采集及互相关算法处理模块分别设置200Hz、2000Hz、20KHz、200KHz、2MHz的采集带宽，滤除高频信号，相应的获得包含10～100Hz、100～1000Hz、1000Hz～10KHz、10KHz～100KHz、100KHz～1MHz频偏范围的噪声信号；

6)所述的计算机利用现有的labview、MATLAB数据处理软件提供的互相关法对所述的噪声信号进行互相关处理，获得待测信号源的相位噪声。

基于以上技术特点，本发明具有以下优点：

1、采用激光器可以产生相位噪声很低的光信号，可以降低测量链路的底噪，提高噪声灵敏度。

2、光电混频的过程中激光源模块提供的光参考源信号脉冲很窄，带宽大，可调节范围大，提高了测量链路的偏移频率范围。

3、使用两路不相干的测量链路，测量过程的独立性使得两路中引入的额外噪声是不相关的，数据处理部分采用了互相关法抑制了额外噪声，提高了链路测量精度。

附图说明

图1为本发明基于激光鉴相鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置示意图

图2为本发明的其中一个实例中激光器的相位噪声

图3为本发明的光电混频过程

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例中如图1所示，图1为本发明基于激光鉴相鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置示意图，由图可见，本发明基于激光鉴相鉴频互相关处理的相位噪声测量装置，包括：两条相同且独立的测量链路、待测信号源1、功分模块2和数据采集及互相关算法处理模块9，所述的第一测量链路由依次的第一激光源模块3、第一光电混频模块5和第一光电转换模块7构成，所述的第二测量链路由依次的第二激光源模块4、第二光电混频模块6和第二光电转换模块8构成，所述的待测信号源1的输出端与所述的功分模块2的输入端相连，所述的功分模块2将输入的待测信号分为两路：所述的功分模块2的第一输出端与所述的第一光电混频模块5的第一输入端相连，所述的功分模块2的第二输出端与所述的第二光电混频模块6的第一输入端相连，所述的第一激光源模块3的输出端与所述的第一光电混频模块5的第二输入端相连，所述的第二激光源模块4的输出端与所述的第二光电混频模块6的第二输入端相连，所述的第一光电混频模块5的输出端与所述的第一光电转换模块7的输入端相连，所述的第二光电混频模块6的输出端与所述的第二光电转换模块8的输入端相连，所述的第一光电转换模块7的输出端与所述的数据采集及互相关算法处理模块9的第一输入端相连，所述的第二光电转换模块8的输出端与所述的数据采集及互相关算法处理模块9的第二输入端相连，所述的数据采集及互相关算法处理模块9是具有labview、MATLAB数据处理软件的计算机，所述的计算机的参考时钟端与所述的待测信号模块2的参考时钟端相连，所述的计算机的参考时钟端与所述的第一激光源模块3、第二激光源模块4的参考时钟端相连。

所述的第一激光源模块3和第二激光源模块4为调制频率梳或主动锁模激光器。

所述的待测信号源1为压控振荡器、频综源。

所述的第一光电混频模块5和第二光电混频模块6为铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器或空间光调制器。

所述的第一光电转换模块7和第二光电转换模块8为PIN管或APD管。

利用上述基于激光鉴相鉴频和互相关处理的相位噪声测量装置对待测信号源进行相位噪声的测量方法，该方法包括如下步骤：

1)将待测信号原源1的输出端与所述的功分模块2的输入端相连；

2)启动所述的计算机，在所述的计算机的控制下，所述的第一激光源模块3和第二激光源模块4同时工作，所述的第一激光源模块3为所述的第一光电混频模块5提供光域信号，所述的第二激光源模块4为所述的第二光电混频模块6提供光域信号；

3)在所述的计算机的控制下，所述的待测信号源1输出的待测信号经所述的功分模块2分别输入所述的第一光电混频模块5和第二光电混频模块6；

4)所述的光域信号和待测信号分别在所述的第一光电混频模块5和第二光电混频模块6完成混频，混频后的信号进入第一光电转换模块7和第二光电转换模块8后完成光域信号到电信号的转换，并输出给所述的计算机；；

5)所述的数据采集及互相关算法处理模块9分别设置200Hz、2000Hz、20KHz、200KHz、2MHz的采集带宽，滤除高频信号，相应的获得包含10～100Hz、100～1000Hz、1000Hz～10KHz、10KHz～100KHz、100KHz～1MHz频偏范围的噪声信号；

6)所述的计算机利用现有的labview、MATLAB数据处理软件提供的互相关法对所述的噪声信号进行互相关处理，获得待测信号源1的相位噪声。

所述的第一激光源模块3和第二激光源模块4为不限于连续、脉冲激光器以及光纤、固体或者片上激光器。可以为光电混频模块5和光电混频模块6提供光信号。

上述过程中激光源提供了噪声很低的光信号，降低了光电混频时引入的相位噪声，同时该方法采用了两条相同但独立的测量链路，待测信号的相位噪声来自同一信号，两条测量链路上引入的额外噪声是不相关的，所以在数据处理后端，运用了互相关算法的处理，抑制了额外噪声，提高了测量灵敏度。

如图2所示，为激光器提供的20GHz信号的相位噪声，光信号可以在高频段处保持低的相位噪声，提高了测量链路的灵敏度。

如图3所示，激光源模块提供的光域信号与待测信号在光电混频模块完成混频的过程，由于光域信号和待测信号的频率相同，混频的过程在频域表现为待测信号被搬移到零频处，可使用低采样带宽的采集板卡进行采集。