[論文レビュー] Primary calibration of AM and PM noise measurements

Enrico Rubiola|ArXiv.org|Jan 8, 2009

Radio Frequency Integrated Circuit Design参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、I-Q変調器およびミキサーを用いて生成される比ベースの参照信号を用いた、電圧と位相ノイズ測定のための一次校正手法を提示する。これにより、トレーサブルな不確実性予算が可能となる。I-Q不均衡の補正と、校正済みの電力比を用いたノルム測定を組み合わせることで、0.23 dB（rms）の暫定不確実性を達成し、原子時計や低ノイズ発信機における高精度な位相および振幅ノイズ計測を支援する。

ABSTRACT

This report describes a method for the primary calibration of phase noise and amplitude noise measurement systems. In the field of metrology, the term "primary" refers to a standard whose quantity value and measurement uncertainty are established without relation to another measurement standard for a quantity of the same kind; or to a procedure used to realize the definition of a measurement unit and obtain the quantity value and measurement uncertainty of a primary measurement standard. Accordingly, a phase and a normalized amplitude have to rely on ratio measurements.

研究の動機と目的

• 二次標準に依存しない、振幅および位相ノイズ測定の一次校正手法を確立すること。
• 原子時計、宇宙研究、高速エレクトロニクス分野における超低位相ノイズの需要増加に応えること。
• 比測定およびノルム測定のみに依存して、位相および振幅ノイズのトレーサブルで不確実性予算付きの測定を可能にすること。
• 既存の干渉計（ブリッジ）ノイズ測定機器と互換性のある、実装可能な校正フレームワークを提供すること。

提案手法

• 校正済みのI-Q変調器を用いて、既知の電力比で同相（I）および正交（Q）成分を制御することで、純粋なAMおよびPM信号を生成する。
• IおよびQ成分のノルム測定に依存して偏差を検出する。10ビット解像度のロックインアンプを用いることで高感度を実現する。
• I-Q検波器および変調器の欠陥（直交誤差ψ、対称性誤差ε、ポンプ位相θ）は、既知の参照信号に基づくキャリブレーション手順により測定・補正する。
• 変調深度は方向性 coupler およびアタネーターを介して正確に制御され、IF電流316 µAで信号対雑音比（SNR）が87.8 dBに最適化される。
• 電力比は商業用機器で測定され、部品および測定ステップごとの不確実性寄与を慎重に見積もる。
• 校正は最小限の変更で干渉計（ブリッジ）機器に統合可能であり、一次標準への直接トレーサビリティを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 比測定およびノルム測定のみに依存して、一次トレーサビリティを有する位相および振幅ノイズの校正はどのように実現できるか？
• RQ2 現地の一次メトロロジーを用いず、商業用部品のみに依存する場合のAMおよびPMノイズ校正における達成可能な不確実性はどの程度か？
• RQ3 I-Q変調器およびミキサーの欠陥（直交性、対称性、位相）は、どのように測定・補正可能か？高精度な校正を可能にするには？
• RQ4 提案手法は、既存の干渉計（ブリッジ）ノイズ測定機器にスムーズに統合可能か？
• RQ5 位相および振幅ノイズ測定において、0.25 dB未満の不確実性を達成するために必要な信号対雑音比および電力レベルは何か？

主な発見

• 合計不確実性は一時的だが26.5×10⁻³（0.23 dB）rmsを達成し、主な寄与は電力比測定（0.1 dB）およびRFパス測定（0.2 dB）であった。
• IF電流316 µAで信号対雑音比87.8 dBを達成し、微小な変調深度の高感度検出が可能となった。
• I-Q変調器および検波器の欠陥（ψ、ε、θ）のキャリブレーションが成功裏に実施され、相対誤差が1×10⁻³未満に補正された。
• 校正フレームワークは干渉計（ブリッジ）機器と互換性があり、参照信号生成のためのわずかな改造で統合可能であることが示された。
• 本手法は比測定およびノルム測定のみに依存しており、二次標準に依存しない一次校正を可能にする。
• 推定不確実性は保守的であり、部品の安定性およびキャリブレーション手順の向上によりさらなる改善が可能である。