[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出了一种基于比率参考信号的幅度和相位噪声测量主校准方法，该信号通过I-Q调制器和混频器生成，实现了可追溯的不确定度预算。通过校正I-Q不平衡并采用校准功率比的零值测量，该方法实现了0.23 dB（均方根）的初步不确定度，支持原子钟和低噪声振荡器的高精度相位与幅度噪声计量。

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.

研究动机与目标

• 建立一种无需依赖二级标准的幅度和相位噪声测量主校准方法。
• 应对原子钟、空间研究和高速电子领域对超低相位噪声日益增长的需求。
• 仅通过比率和零值测量，实现相位与幅度噪声的可追溯、不确定度预算化的测量。
• 提供一种实用且可实施的校准框架，与现有干涉仪（桥式）噪声测量仪器兼容。

提出的方法

• 该方法利用校准后的I-Q调制器，通过控制同相和 quadrature 分量的已知功率比，生成纯净的AM和PM信号。
• 依赖对I和Q分量的零值测量来检测偏差，采用10位分辨率的锁相放大器以实现高灵敏度。
• I-Q检测器和调制器缺陷——正交误差（ψ）、对称性误差（ε）和泵浦相位（θ）——通过基于已知参考信号的校准程序进行测量和校正。
• 通过定向耦合器和衰减器精确控制调制深度，当IF电流为316 µA时，信噪比（SNR）优化至87.8 dB。
• 使用商用仪器测量功率比，对各组件和测量步骤的不确定度贡献进行保守估计。
• 该校准集成到干涉仪（桥式）仪器中，仅需少量修改，即可实现对主标准的直接可追溯性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何仅通过比率和零值测量实现相位与幅度噪声的主可追溯校准？
• RQ2 在仅使用商用组件且无现场主计量的情况下，AM和PM噪声校准的可实现不确定度是多少？
• RQ3 如何测量并校正I-Q调制器和混频器缺陷（正交性、对称性、相位）以实现高精度校准？
• RQ4 所提出的方法能否无缝集成到现有的干涉仪（桥式）噪声测量仪器中？
• RQ5 实现相位与幅度噪声测量中低于0.25 dB不确定度所需的信噪比和功率电平是多少？

主要发现

• 该方法实现了26.5×10⁻³（0.23 dB）的初步联合不确定度，主要贡献来自功率比（0.1 dB）和RF路径（0.2 dB）测量。
• 当IF电流为316 µA时，实现了87.8 dB的信噪比，能够实现对微小调制深度的高灵敏度检测。
• 成功演示了对I-Q调制器和检测器缺陷（ψ、ε、θ）的校准，误差校正至相对值的1×10⁻³以内。
• 该校准框架被证明与干涉仪（桥式）仪器兼容，仅需对参考信号生成部分进行少量修改即可集成。
• 该方法完全依赖比率和零值测量，实现了无需依赖二级标准的主校准。
• 所估计的不确定度保持保守，通过提升组件稳定性和改进校准程序，仍有进一步优化的潜力。