相位噪声的测试方法

胡为东系列文章之七

相位噪声的时域测量方法

美国力科公司胡为东摘要：相位噪声主要是衡量因信号的相位变化而带来的噪声，在频域中表现为噪声的频谱，在时域中又表现为信号边沿位置的抖动，因此在实际应用中，相位噪声和信号的抖动其实本质是相同的。本文就将对相位噪声以及TIE抖动（Time Interval Error，时间间隔误差，也叫相位抖动）的概念及相互关系做一简要介绍并详细介绍了使用力科示波器如何测量TIE 抖动并将其转换为相位噪声的。

关键词：力科相位噪声TIE 抖动

一、相位噪声的基本概念

一个时钟信号或者一个时钟信号的一次谐波可以用一个如下的正弦波形来表示：

（），其中为时钟频率，为初始相位，如果为常数，那么的傅里叶变换频谱图应该为一条谱线，如图1中的左图所示，但是如果发生变化，则原本规则的周期正弦信号在变化的过程中将会出现拐点，且频谱也将变得不仅仅是一条谱线，而是可能由分布在时钟频率周围的很多条谱线构成的更为复杂的频谱图，如图1中的右图所示，其中频谱波形在fc附近多出的谱线即为相位噪声谱（或者叫做相位抖动谱）。因为初始相位的变化而引起的噪声称为相位噪声，因此对于一个正弦时钟信号或者时钟信号的一次谐波来说，在理论上应该是为零的，此时上述公式中的则完全为相位噪声成分。

图1 正弦信号的频谱（无相位变化以及有相位变化的可能情形）为了更为精确的描述相位噪声，通常定义其为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。如一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值，即在fm频率处1Hz范围内的面积与整个噪声频下的所有面积之比，如下图2所示。

图2 相位噪声的基本定义

二、TIE抖动的基本概念及其与相位噪声的关系

TIE(Time Interval Error)，时间间隔误差，是指信号的实际边沿与其理想边沿之间的偏差，理想边沿可以为固定频率信号的边沿位置，如100MHZ的信号，那么上升边沿位置就固定在10ns的整数倍位置处；也可以通过CDR（时钟数据恢复）的方法恢复出的时钟作为理想时钟。如下图3所示，实际时钟信号的每一个实际边沿位置与理想时钟的边沿位置都会做一个比较，它们之间的差值就叫做TIE抖动。

图3 TIE抖动参数的测量方法

如果仔细考虑下TIE抖动参数的定义，会不难发现其实TIE抖动参数也恰恰反映了信号在阈值交叉电平处的相位的变化。TIE参数和是可以相互转化的，如果用公式表示即为：TIE(i)=(i.Tc)/2πfc，其中TIE(i)为第i个边沿位置处的TIE抖动参数；(i.Tc)为第i 个周期的相位变化；fc为信号频率。如果以PN(f)表示相位噪声的对数频谱图，那么将上式等式两边分别做FFT及对数运算，则可以得到PN(f)=20，其中F(TIE)为TIE序列的FFT变换并归一化到1HZ。

同样结合RMS的计算公式以及对数的转化关系可推导出某一频段范围内的RMS抖动值和TIE频谱的关系如下：

RMS Jitter(某一频段内) ==

其中H(f)为抖动滤波响应系数（注：上述公式均是针对于双边带信号，下文的相位噪声测量示例是基于单边带信号）。

三、基于示波器的相位噪声测量方法

根据上文的分析，相位噪声是指信号相位的随机性波动的功率谱密度，在频域里相位噪声通常被表达为dBc/Hz。如果信号的相位噪声值非常小，那么则需要使用具有高动态范围的频域仪器进行测量，才能得到较好的结果。如果信号的相位噪声在-70dBc(或者结合平均方法为-80dBc)以上，则可以选择使用示波器进行测试。目前测量相位噪声主要有三种仪器，一是频谱仪，二是示波器，三是专用的相位噪声分析仪。频谱仪中通常具有相位噪声的

测试项，可以从信号频谱上测量出相位噪声的值并进行适当的修正即可，测试原理即为测试某一指定偏移频率处的功率电平（1Hz带宽内）与载波总功率电平的比值；使用示波器进行相位噪声的测量则是在时域里先测试出抖动，然后再将抖动值按照上述提到的相位噪声与抖动的转换关系转换得到；由于示波器和频谱仪的动态范围有限，因此对于很小的相位噪声很难测试得非常准确。因此如果需要准确的测试比较小的相位噪声时，则可以选用专门测试相位噪声的相位噪声测试仪。

下面为使用力科示波器对相位噪声的测量方法及步骤：

Step1：在示波器的“Timebase”按钮中选择“Fixed Sample Rate”,并设置一个合理的采样率以确保在信号边沿上采集到足够多的样本点，如图4所示。

图4 使用力科示波器测量相位噪声步骤1 图5使用力科示波器测量相位噪声步骤2 Step2：设置示波器的最小采集窗口时间至少为1ms，这将在FFT频谱中提供1KHz的频率分辨率。时间窗口越长，FFT频谱的频率分辨率越高（比如说5ms的采集时间窗口将得到200Hz的FFT频谱分辨率），如图5所示。

Step3：如下图所示，对于204.8MHz的时钟信号，为了获得一个很大的捕获时间窗口，我们采集了100M的采样点数，获得5ms的捕获时间窗口，如图6所示。

图6使用力科示波器测量相位噪声步骤3 图7使用力科示波器测量相位噪声步骤4 Step4：测量时钟波形的TIE抖动。设置输入源为时钟，如图7所示。

Step5：在TIE参数设置栏里的VClock中选择“Find Frequency”，如图8所示。

图8使用力科示波器测量相位噪声步骤5 图9使用力科示波器测量相位噪声步骤6 Step6:对TIE测量参数进行“Track”函数分析，如图9所示。

Step7：关掉PLL并适当微调“Customer Frequency”以获得“Track”函数曲线的最大平坦度，如图10所示。

图10使用力科示波器测量相位噪声步骤7 图11使用力科示波器测量相位噪声步骤8 Step8：对Track曲线进行FFT分析，如图11所示。

Step9：选择FFT参数设置中的“Magnitude”、“V onHann”、“LeastPrime”，并去掉“Suppress DC”选择，如图12所示。

图12使用力科示波器测量相位噪声步骤9 图13使用力科示波器测量相位噪声步骤10 Step10：对抖动的FFT进行Log10运算，如图13所示。

Step11：在“Rescale”运算设置中，选择乘以“20”，然后通过下述公式决定需要增加的常

数：20log10（pi*carrier frequency）。在本例中，20log10（643398175）=176，在“Rescale”运算设置中输入该常数值，如图14所示。

图14使用力科示波器测量相位噪声步骤11 图15使用力科示波器测量相位噪声步骤12 Step12：使用一个光标放置在相应的相位噪声偏移频率（比如10khz）位置并直接从F4曲线中读出cursor对应的以DBC为单位的相位噪声值。如本例中的10khz的相位噪声为-109.63dBc，如图15所示。

四、小结

本文简要介绍了相位噪声及其TIE抖动的概念及其相互转换关系，并重点介绍了基于力科示波器是如何测量出TIE抖动并将抖动参数转换为相位噪声的。

五、参考文档

1、Phase Noise and Jitter Requirements for Serial IO Applications,SI time Application Notes

2、Lecroy Step by Step references：How to measure phase noise,Mike Hertz,Lecroy

相位噪声基础及测试原理和方法

相位噪声基础及测试原理和方法相位噪声指标对于当前的射频微波系统、移动通信系统、雷达系统等电子系统影响非常明显，将直接影响系统指标的优劣。该项指标对于系统的研发、设计均具有指导意义。相位噪声指标的测试手段很多，如何能够精准的测量该指标是射频微波领域的一项重要任务。随着当前接收机相位噪声指标越来越高，相应的测试技术和测试手段也有了很大的进步。同时，与相位噪声测试相关的其他测试需求也越来越多，如何准确的进行这些指标的测试也愈发重要。 1、引言随着电子技术的发展，器件的噪声系数越来越低，放大器的动态范围也越来越大，增益也大有提高，使得电路系统的灵敏度和选择性以及线性度等主要技术指标都得到较好的解决。同时，随着技术的不断提高，对电路系统又提出了更高的要求，这就要求电路系统必须具有较低的相位噪声，在现代技术中，相位噪声已成为限制电路系统的主要因素。低相位噪声对于提高电路系统性能起到重要作用。相位噪声好坏对通讯系统有很大影响，尤其现代通讯系统中状态很多，频道又很密集，并且不断的变换，所以对相位噪声的要求也愈来愈高。如果本振信号的相位噪声较差，会增加通信中的误码率，影响载频跟踪精度。相位噪声不好，不仅增加误码率、影响载频跟踪精度，还影响通信接收机信道内、外性能测量，相位噪声对邻近频道选择性有影响。如果要求接收机选择性越高，则相位噪声就必须更好，要求接收机灵敏度越高，相位噪声也必须更好。总之，对于现代通信的各种接收机，相位噪声指标尤为重要，对于该指标的精准测试要求也越来越高，相应的技术手段要求也越来越高。 2、相位噪声基础 2.1、什么是相位噪声相位噪声是振荡器在短时间内频率稳定度的度量参数。它来源于振荡器输出信号由噪声引起的相位、频率的变化。频率稳定度分为两个方面：长期稳定度和短期稳定度，其中，短期稳定度在时域内用艾伦方差来表示，在频域内用相位噪声来表示。 2.2、相位噪声的定义

相位噪声的产生原因和影响

相位噪声的产生原因和影响概述相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。但不幸的是，这种信号并不存在。如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。相位噪声是频率域的概念。相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。用一个振荡器信号来解释相位噪声。如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。定义定义1：相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标源自: 有线数字电视传输特性与故障解析《中国有线电视》 2005年赵雨境,王恒江定义2：相位噪声是指光的正弦振荡不稳定,时而出现某处相位的随机跳变.相位噪声导致光源线宽变宽.光强度噪声是指因自发辐射光强的随机变化和外界温度的变化,导致发射光强的起伏源自: Fabry-Perot干涉式光纤温度传... 《传感器技术》 2001年曹满婷来源文章摘要：分析了温度对相位的调制作用以及Fabry -Perot干涉结构检测相位变化的原理 ,提出了一种具有高灵敏度和高分辨率的相位调制型全光纤结构 ,并进行了系统的噪声分析。定义3：是一随机量通常把信号的相似随机起伏中（t）称为相位噪声.（t）随时间变化的随机过程是一平稳的随机过程并使随机量的概率密度分布符合正态分布源自: 受多项噪声影响的二级方差估值的置信度《四川教育学院学报》 1997年林时昌来源文章摘要：有限次（ｍ次）采样测量的二级方差估值（，ｍ）随机地偏离其真值＜）。这种随机不确定性不仅和ｍ有关，而且和噪声的性质有关。计算出单项噪声所产生的不确定度；分析了多项噪声对总不确定度的影响，并引用置信度的概念表征测量的不确定度。定义4：(t)〕sin[2兀厂t+小(t)]相位噪声是指频率信号中由频率源内部噪声调制(调相或调频)产生的随机相位起伏.当被测相位噪声比频谱分析仪自身的相位噪声大时,可直接利用频谱分析仪来测量相位噪声,这是一种简单、方便的相位噪声测量方法源自: 频谱分析仪在测量相位噪声过程中的数值修正《国外电子测量技术》 2002年曹芸来源文章摘要：本文介绍了在使用频谱分析仪测量相位噪声时,影响其测量结果的因素并讨论了如何对频谱分析仪输出结果进行修正。定义5：则()rk的相角为()kknkqj+q+,其中()nkq是噪声()nk对相位的干扰,称为相位噪声.可见,kq中包含了全部的载波相位信息,kj包含了大量甚至全部的码字信息源自: 相位处理载波恢复算法研究《信息与电子工程》 2003年袁清升,刘文来源文章摘要：针对

脉冲调制信号相位噪声测试

脉冲调制信号相位噪声测试方法安捷伦科技有限公司技术指南相位噪声参数是评估连续波信号频率短期稳定度的重要指标，相位噪声性能的好坏会对电子系统的整体性能有重要影响，例如雷达系统的作用距离，目标分辨率，数字通信系统的误码率等都和系统频率源的相位噪声有关。在雷达系统和TDMA系统中，发射的信号都为脉冲形式的突发信号，测试中需要在系统的工作状态下进行频率源性能测试，这就要求在脉冲调制状态下测试频率源输出信号的相位噪声。当信号被脉冲调制后，信号的功率谱特性会发生变化，图1为典型的脉冲调制信号的功率谱，频谱特性为按脉冲重复频率（PRF）为等间隔的离散频谱，频谱形状为sinx/x辛格函数包络，频谱包络的过零点位置为脉冲宽度的倒数（1/τ）。脉冲调制后信号的相位噪声的频域特性同样会发生变化。图1：脉冲调制信号功率谱特性连续波信号相位噪声反映在频谱上为偏离载波频率的噪声边带，通过单边带相位噪声指标（SSB phase noise）能对该参数进行定量描述。当信号被脉冲调制后，载波的相位噪声边带会和重复频率位置的频谱成份噪声边带发生混叠，整个噪声边带的功率分布还会受到脉冲调制信号功率谱的sinx/x辛格函数的影响。脉冲调制信号的频谱特性能决定了脉冲调制信号相位噪声测试时，最大测试频偏需范围需要小于脉冲重复频率一半，超过这个范围会受调制边带噪声的影响。脉冲重复频率连续波信号相位噪声频谱特性脉冲调制信号相位噪声频谱特性图2：脉冲调制信号相位噪声频谱特性

连续波信号相位噪声时域特性脉冲调制信号相位噪声时域特性图3：脉冲调制信号相位噪声的时域特性相对连续波形式点频信号相位噪声测试，脉冲调制形式的信号相位噪声测试需要测试仪表具备相应的能力来完成测试，针对脉冲调制信号相位噪声的测试要求，工程上可以采用鉴相法和频谱分析仪测试方法来测试脉冲调制信号的相位噪声。这两种方法测试原理不同，可以适应不同类型和脉冲参数的被测试频率源的测试要求。表格1给出这两种脉冲调制信号相位噪声测试方法的技术特点说明。表1：脉冲调制信号相位噪声测试方法脉冲相噪测试方法测试方法说明技术特点典型的测试参数范围鉴相法测试法 1：使用参考信号源和被测频率源进行鉴相处理，对鉴相器输出的相位误差电压进行频谱分析。 2：测试系统对脉冲形式鉴相输出进行滤波，低噪声放大和频谱分析，得到相位噪声参数。 3：测试系统需要具备高性能参考源，频率锁定，同步脉冲调制等功能。 1：测试灵敏度高 2：相位噪声灵敏度受信号脉冲占空比影响。 3：最大测试频偏受脉冲重复频率的影响。最大频偏小于脉冲重复频率的一半。占空比：2% 脉冲重复频率：50kHz 脉冲宽度：1us 测试频偏范围： 0.1Hz~脉冲重频/2 频谱仪测试法 1：使用频谱仪时间门功能对脉冲调制信号进行选时频谱测试。 2：频谱仪RBW>2/脉冲宽度 3：频谱仪的时间门处理功能，得到脉冲调制信号脉内时间区域信号的频谱，通过功率比值测量得到相位噪声参数。1：测试方便 2：测试最小频偏受信号脉冲宽度影响。最小频偏需大于脉冲信号频谱主瓣宽度：（2/脉冲宽度）。 3：相位噪声测试灵敏度受频谱本振相噪和中频滤波器频响影响。脉冲宽度：1ms 最小测试频偏：大于1kHz

相位噪声基础及测试原理和方法

摘要：相位噪声指标对于当前的射频微波系统、移动通信系统、雷达系统等电子系统影响非常明显，将直接影响系统指标的优劣。该项指标对于系统的研发、设计均具有指导意义。相位噪声指标的测试手段很多，如何能够精准的测量该指标是射频微波领域的一项重要任务。随着当前接收机相位噪声指标越来越高，相应的测试技术和测试手段也有了很大的进步。同时，与相位噪声测试相关的其他测试需求也越来越多，如何准确的进行这些指标的测试也愈发重要。 1、引言随着电子技术的发展，器件的噪声系数越来越低，放大器的动态范围也越来越大，增益也大有提高，使得电路系统的灵敏度和选择性以及线性度等主要技术指标都得到较好的解决。同时，随着技术的不断提高，对电路系统又提出了更高的要求，这就要求电路系统必须具有较低的相位噪声，在现代技术中，相位噪声已成为限制电路系统的主要因素。低相位噪声对于提高电路系统性能起到重要作用。相位噪声好坏对通讯系统有很大影响，尤其现代通讯系统中状态很多，频道又很密集，并且不断的变换，所以对相位噪声的要求也愈来愈高。如果本振信号的相位噪声较差，会增加通信中的误码率，影响载频跟踪精度。相位噪声不好，不仅增加误码率、影响载频跟踪精度，还影响通信接收机信道内、外性能测量，相位噪声对邻近频道选择性有影响。如果要求接收机选择性越高，则相位噪声就必须更好，要求接收机灵敏度越高，相位噪声也必须更好。总之，对于现代通信的各种接收机，相位噪声指标尤为重要，对于该指标的精准测试要求也越来越高，相应的技术手段要求也越来越高。 2、相位噪声基础 2.1、什么是相位噪声相位噪声是振荡器在短时间内频率稳定度的度量参数。它来源于振荡器输出信号由噪声引起的相位、频率的变化。频率稳定度分为两个方面：长期稳定度和短期稳定度，其中，短期稳定度在时域内用艾伦方差来表示，在频域内用相位噪声来表示。 2.2、相位噪声的定义以载波的幅度为参考，在偏移一定的频率下的单边带相对噪声功率。这个数值是指在1Hz的带宽下的相对噪声电平，其单位为dBc/Hz。该定义最早是基于频谱仪法测试相位噪声，不区分调幅噪声和调相噪声。单边带相位噪声L(f)定义为随机相位波动单边带功率谱密度Sφ(f)的一半，其单位为dBc/Hz。其中Sφ(f)为随机相位波动φ(t)的单边带功率谱密度，其物理量纲是rad2/Hz。

相位噪声性能测试

LMK04000 系列产品的相位噪声性能测试 30082862 加权函数H(f)是低通闭环传递函数，其中包含了诸如电荷泵增益、环路滤波器响应、VCO增益和反馈通路（数器等参数。该式表示了图1所示的每一级PLL AN-1910 30082801 图1 具有抖动清除能力的双PLL时钟合成器的架构 https://www.360docs.net/doc/6912683737.html, ? 2009 National Semiconductor Corporation 300828

https://www.360docs.net/doc/6912683737.html, 2 A N -1910 2.0 LMK04000系列产品介绍图2示出了LMK04000精密时钟去抖产品系列的详细的框图。其PLL1的冗余的参考时钟输入（CLKin0，CLKin1），可以支持高达400 MHz 的频率。参考时钟信号可以是单端或者差分式的信号，为了实现操作中稳定性，还可以启用其中的自动开关模式。驱动OSCin 端口的VCXO 的最大容许频率为250 MHz 。OSCin 端口的信号被反馈到PLL2相位比较器上，而且也作为相位和频率基准注入到PLL2中。虽然在图中并未示出，其内部还是可以支持分立形式的、采用外接晶振的VCXO 。PLL2的相位比较器的基准信号输入端还提供了一个可选用的频率倍增器，这可以使得相位比较的频率得以增加一倍，从而降低了PLL2的带内噪声。PLL2集成了一个内置的VCO ，以及可选的内置环路滤波器部件，这一部分可以提供PLL2环路滤波器的3阶和4阶极点。VCO 的输出带有缓冲，最终由Fout 引脚向外提供信号，该信号也可以经过一个VCO 分频器路由到内部的时钟分发总线上。时钟分发部分则对时钟信号进行缓冲，并将其分配给各个可以独立配置的通道。每个通道具有一个分频器、延迟模块和输出缓冲器。在时钟输出端，各信号格式的组合关系可以根据具体的器件编号来确定。 30082802 图2 LMK04000系列时钟电路的框图下面的表格示出了LMK04000系列中目前已发布的器件。正如表1所示的那样，其中包含了2个VCO 频带以及两种可配置的时钟输出格式。本报告中所测量的器件是LMK04031。表1 LMK04000系列产品的器件编号、输出格式和VCO 频段 NSID 工艺2VPECL/LVPECL 输出 LVDS 输出 LVCMOS 输出 VCO 频率范围LMK04011BISQ BiCMOS 51430～1570 MHz LMK04031BISQ BiCMOS 22 2 1430～1570 MHz LMK04033BISQ BiCMOS 2 2 2 1840～2160 MHz

相噪与抖动的一种计算方法

时钟抖动(CLK)和相位噪声之间的转换摘要：这是一篇关于时钟(CLK)信号质量的应用笔记，介绍如何测量抖动和相位噪声，包括周期抖动、逐周期抖动和累加抖动。本文还描述了周期抖动和相位噪声谱之间的关系，并介绍如何将相位噪声谱转换成周期抖动。几乎所有集成电路和电气系统都需要时钟(CLK)。在当今世界中，人们以更快的速度处理和传送数字信息，而模拟信号和数字信号之间的转换速率也越来越快，分辨率越来越高。这些都要求工程师更多地关注时钟信号的质量。时钟信号的质量通常用抖动和相位噪声来描述。抖动包括周期抖动，逐周期抖动和累计抖动，最常用的是周期抖动。时钟的相位噪声用来说明时钟信号的频谱特性。本文首先简单介绍用来测量时钟抖动和相位噪声的装置。然后介绍周期抖动和相位噪声之间的关系，最后介绍将相位噪声谱转换成周期抖动的简单公式。周期抖动和相位噪声：定义和测量周期抖动周期抖动(J PER)是实测周期和理想周期之间的时间差。由于具有随机分布的特点，可以用峰-峰值或均方根值(RMS)描述。我们首先定义门限为V TH的时钟上升沿位于时域的T PER(n)，其中n是一个时域系数，如图1所示。我们将J PER表示为手册：其中T0是理想时钟周期。由于时钟频率固定，随机抖动J PER的均值应该为零，J PER的RMS 可以表示为：式中的是所要求的运算符。从图1时钟波形可以看出J PER和T PER之间的关系。

图1. 周期抖动测量相位噪声测量为了理解相位噪声谱L(f)的定义，我们首先定义时钟信号的功率谱密度S C(f)。将时钟信号接频谱分析仪，即可测得S C(f)。相位噪声谱L(f)定义为频率f处的S C(f)值与时钟频率f C处的S C(f)值之差，以dB表示。图2说明了L(f)的定义。图2. 相位噪声谱的定义相位噪声谱L(f)的数学定义为：注意L(f)代表的是f C和f处谱值的比，L(f)将在下文介绍。周期抖动(J PER)测量有许多设备可以测量周期抖动。通常人们会用高精度数字示波器测量抖动。当时钟抖动大于示波器触发抖动的5倍时，时钟抖动可用时钟上升沿触发，然后测量另一个上升沿。图3 给出了示波器从被测时钟产生触发信号的方法。该方法可消除数字示波器内部时钟源抖动。

基于频谱仪的相位噪声测试及不确定度分析

基于频谱仪的相位噪声测试及不确定度分析潘光斌1,2 1 (电子科技大学自动化学院　成都　610054)　2(中国工程物理研究院计测中心　绵阳　621900) 摘要　对基于频谱分析仪的相位噪声测试原理和方法进行了介绍,并对引起测试系统不确定度的因素及其评定方法进行了讨论。关键词　频谱分析仪　相位噪声　不确定度 The M ea surem en t of Pha se No ise Ba sed on Spectru m Ana lyzer and the Ana lysis of Uncerta i n ty Pan Guangb in 1 (S chool of A u to m a tion E ng ineering und er U n iversity of E lectron ic S cience and T echnology ,Cheng d u 610054,Ch ina ) 2 (M etrology and T esting Cen ter und er Ch ina A cad e m y of E ng ineering P hy sics ,M iany ang 621900,Ch ina ) Abstract T h is article introduces the p rinci p le and m ethod how to m easure phase no ise w ith spectrum analyzer ,and discusses the uncertainty facto r and its evaluating m ethod .Key words Spectrum analyzer Phase no ise U ncertainty 1　引言仪器中各种噪声对其振荡信号的相位和频率调制的结果,在时间域内观测,表现为相对平均频率偏差的随机起伏,其二次取样方差的平方根值又可称为频率稳定度在时域内的表征。噪声调制结果在频谱域内观测,表现为信号的频谱不纯,在偏离载频处信号的功率谱密度不为零,出现了两个对称的边带。为定量地描述这种调制程度,引入了一个边带内偏离载频f m 处的功率密度与载频功率之比表示。这就是相位噪声L (f m ),其实用计算公式为: L (f m )= 5peak 2 2 = 25r m s 2 2 =12 S 5(f m )式中:5peak 为相位起伏的峰值,5rm s 为相位起伏的有效值。相位噪声是时间频率领域的一项重要参数,它从频域描述了频率的稳定度,对于多普勒雷达系统、无线电通信、空间信号传输等应用有着重要的影响。例如:相位噪声过大会降低卫星定位的精度,影响数据传输的质量。因此,对相位噪声进行精确测量是一个很值得深入研究的问题。 2　基于频谱分析仪的相位噪声测试原理常用的相位噪声测量方法有:频率外差法,直接测量法,鉴频器测量法和鉴相器测量法。除频率外差法为时域测量外,其余皆为频域测量。在此从频域进行测试,考虑到直接测量法将受频谱分析仪动态工作范围、分辨率及仪器内本振的相位噪声的制约,而鉴频器测量法又因其背景噪声电平将在频率接近载频时迅速增大而限制了对小频偏相位噪声的测量,所以鉴相器测量法是一种相对较好的选择。鉴相器测量相位噪声的原理是:利用一个鉴相器,把相位起伏转换成电压起伏信号,然后用频谱仪测量此起伏电压信号的功率谱密度即可。要使鉴相器输出的电压信号与两个鉴相信号的相位差成比例,两输入信号应满足:(1)频率相等;(2)相位正交,即相差为90°。满足此条件后,被测仪器和参考信号源的输出信号分别为: u x (t )=A sin [Zt +I (t )]u y (t )=Bco s (Zt ) 忽略参考信号源的相位起伏,则经鉴相器(混频器)后,信号变为: 第23卷第5期增刊仪　器　仪　表　学　报 2002年10月

系统相位噪声的指标

系统相位噪声的指标举个例子说明800MHz CDMA手机接收(参看IS-98标准) 你可以这样想, 所有的接收机的参数要求, 不管是GAIN, NF, 还是IP3 等等, 都是为了一个目的---实现一定的信噪比SNR从而能够对信号进行解调. 不论是灵敏度, 动态范围还是在有干扰信号条件下, 解调是接收机要达到的目的. 对CDMA手机接收机来说, 解调需要的SNR = -1.5 dB (大约值) IS-98里面有一个单音(Single tone)测试, 是测试CDMA接收机在一个单音强干扰情况下的性能. CDMA接收机灵敏度最低要求-104 dBm(带宽1.25 MHz). 也就是说在最差NF条件下, 热噪声功率 = -104 - SNR = -102.5 dBm/1.25MHz 单音测试条件如下 CDMA信号功率 = -101 dBm/1.25MHz 单音频偏 = 900 KHz 单音功率 = -30 dBm 如图所示, 不管是有中频还是零中频结构, 信号和LO混频后落在有用带宽内, 单音和LO 混频后还是会落在900 KHz处(会被中频或基带滤波器滤除), 单音和LO的相位噪声混频后(称为reciprocal mxing, 有人翻译为倒易混频, 即把单音当作一个本振信号, 把LO的相位噪声当作一个宽带信号进行混频, "倒易"意指单音和LO角色互换)的产物会落在有用带宽内, 这种噪声迭加在热噪声之上, 引起系统SNR下降. 接收机系统相位噪声的指标可以由此得出. 因为单音测试主要由双工器隔离度, LNA IP3和相位噪声决定, 因此计算相位噪声的指标要留裕量给其它指标(这里用 6 dB). 根据上面的计算, 我们可以对相位噪声提一个指标: 在900 KHz频偏处要求-139 dBc/Hz.

相位噪声的测试方法

胡为东系列文章之七相位噪声的时域测量方法美国力科公司胡为东摘要：相位噪声主要是衡量因信号的相位变化而带来的噪声，在频域中表现为噪声的频谱，在时域中又表现为信号边沿位置的抖动，因此在实际应用中，相位噪声和信号的抖动其实本质是相同的。本文就将对相位噪声以及TIE抖动（Time Interval Error，时间间隔误差，也叫相位抖动）的概念及相互关系做一简要介绍并详细介绍了使用力科示波器如何测量TIE 抖动并将其转换为相位噪声的。关键词：力科相位噪声TIE 抖动一、相位噪声的基本概念一个时钟信号或者一个时钟信号的一次谐波可以用一个如下的正弦波形来表示：（），其中为时钟频率，为初始相位，如果为常数，那么的傅里叶变换频谱图应该为一条谱线，如图1中的左图所示，但是如果发生变化，则原本规则的周期正弦信号在变化的过程中将会出现拐点，且频谱也将变得不仅仅是一条谱线，而是可能由分布在时钟频率周围的很多条谱线构成的更为复杂的频谱图，如图1中的右图所示，其中频谱波形在fc附近多出的谱线即为相位噪声谱（或者叫做相位抖动谱）。因为初始相位的变化而引起的噪声称为相位噪声，因此对于一个正弦时钟信号或者时钟信号的一次谐波来说，在理论上应该是为零的，此时上述公式中的则完全为相位噪声成分。 fc A fc A 图1 正弦信号的频谱（无相位变化以及有相位变化的可能情形）为了更为精确的描述相位噪声，通常定义其为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。如一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值，即在fm频率处1Hz范围内的面积与整个噪声频下的所有面积之比，如下图2所示。

数字全息显微定量相位测量技术研究

数字全息显微定量相位测量技术研究数字全息显微技术具备非接触式、无标记、高分辨率、低成本、快速重建等优点,是定量相位测量领域最具代表性的技术之一,在纳米微粒追踪、微流体、活细胞观测、微光学元件表征、MEMS测量、生命科学等领域有着广泛应用。它可以通过单幅全息图同时获得物体的强度信息和相位信息。本文围绕数字全息显微定量相位测量技术中的数字记录、数值重建、相位处理开展相关研究,探索离轴倾斜补偿方法、二次相位畸变物理补偿和数值补偿方法、基于离焦全息图的相位恢复方法和多模式数字全息显微系统的设计。论文的核心内容及创新点可以概括为以下五个方面:(1)提出一种基于全息图旋转的离轴倾斜补偿方法,并应用于共路数字全息显微中。数字全息显微离轴结构,其离轴角度引入的倾斜是数字全息显微定量相位测量的一个重要相位畸变源。对原始全息图旋转180~°,得到旋转全息图。将原始全息图恢复的展开相位(+1级像)减去旋转全息图恢复的展开相位(-1级像),即可去除倾斜畸变,不需要复杂的频谱中心选择、数值拟合过程以及系统的先验知识。微透镜阵列和相位板实验结果证明了所提方法的有效性和准确性。 (2)提出一种基于电控变焦透镜的二次相位畸变物理补偿法。对于传统数字全息显微系统,物光路常使用显微物镜来提高物体成像的横向分辨率。使用显微物镜引入的二次相位畸变是数字全息显微定量相位测量的另外一个重要的畸变源。为了解决这个问题,在参考臂放置一个电控变焦透镜,通过准确控制电控变焦透镜的外部电流得到不同分布的参考光波面,用来匹配使用不同显微物镜产生的物光波面,无需复杂的光学元件对准操作。

所提方法适合于实时定量相位成像,特别涉及到多个显微物镜。模拟分析和不同倍率显微物镜(4×、10×)的实验补偿结果证明了所提方法的有效性。 (3)提出一种基于几何变换的二次相位畸变数值补偿法。与物理补偿法相比,数值补偿法为补偿二次相位畸变提供了新的思路。对原始全息图作几何变换操作(上下翻转、左右翻转、旋转180~°或者转置),得到变换全息图。将原始全息图恢复的展开相位(+1级像)减去变换全息图恢复的展开相位(+1级像),即可消除二次相位畸变。所提方法简单、有效,可适用于单帧定量相位成像,且无需数值拟合操作或者系统和物体的先验知识。模拟分析和微透镜阵列、相位板、细胞的实验补偿结果证明了所提方法的有效性。 (4)提出一种基于离焦全息图的数字全息显微相位恢复方法。数字全息显微定量相位测量中相位恢复方法主要有傅里叶变换法和相移法。傅里叶变换法需要复杂的频谱选取操作选取完整的+1级像信息,相移法需要额外的相移装置。为解决以上问题,给定3个离焦距离和3幅离焦全息图,推导了一个简单的代数方程,用来恢复待测物体的相位分布。为了避免移动系统元件或待测物体,利用ETL-41)系统灵活、准确采集不同离焦全息图。所提方法适用于同轴全息图和离轴全息图,避免了迭代运算、复杂频谱选择、引入相移装置、待测物体假设或者系统先验知识的需求。模拟分析和微透镜阵列、水滴实验结果证明了所提方法的有效性。(5)提出一种多模式数字全息显微系统。它集成了单波长透射结构、反射结构和双波长反射结构。所提系统中使用方形分束镜实现共路离轴结构,物光和参考光经过了相同的路径。

相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式

相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。但不幸的是，这种信号并不存在。如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。相位噪声是频率域的概念。相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。用一个振荡器信号来解释相位噪声。如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从图2中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。相位噪声产生的原因信号源热噪声,内部损耗电阻热噪声,混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声,具体是温度过热关系。相位噪声的定义定义1：相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标源自: 有线数字电视传输特性与故障解析《中国有线电视》2005年赵雨境,王恒江定义2：相位噪声是指光的正弦振荡不稳定,时而出现某处相位的随机跳变.相位噪声导致光源线宽变宽.光强度噪声是指因自发辐射光强的随机变化和外界温度的变化,导致发射光强的起伏源自: Fabry-Perot干涉式光纤温度传... 《传感器技术》2001年曹满婷来源文章摘要：分析了温度对相位的调制作用以及Fabry -Perot干涉结构检测相位变化的原理,提出了一种具有高灵敏度和高分辨率的相位调制型全光纤结构,并进行了系统的噪声分析。定义3：是一随机量通常把信号的相似随机起伏中（t）称为相位噪声.（t）随时间变化的随机过程是一平稳的随机过程并使随机量的概率密度分布符合正态分布源自: 受多项噪声影响的二级方差估值的置信度《四川教育学院学报》1997年林时昌来源文章摘要：有限次（ｍ次）采样测量的二级方差估值（，ｍ）随机地偏离其真值＜）。这种随机不确定性不仅和ｍ有关，而且和噪声的性质有关。计算出单项噪声所产生的不确定度；分析了多项噪声对总不确定度的影响，并引用置信度的概念表征测量的不确定度。定义4： (t)〕sin[2兀厂t+小(t)]相位噪声是指频率信号中由频率源内部噪声调制(调相或调频)产生的随机相位起伏.当被测相位噪声比频谱分析仪自身的相位噪声大时,可直接利用频谱分析仪来测量相位噪声,这是一种简单、方便的相位噪声测量方法源自: 频谱分析仪在测量相位噪声过程中的数值修正《国外电子测量技术》2002年曹芸来源文章摘要：本文介绍了在使用频谱分析仪测量相位噪声时,影响其测量结果的因素并讨论了如何对频谱分析仪输出结果进行修正。定义5：则()rk的相角为()kknkqj+q+,其中()nkq是噪声()nk对相位的干扰,称为相位噪声.可见,kq中包含了全部的载波相位信息,kj包含了大量甚至全部的码字信息源自: 相位处理载波恢复算法研究《信息与电子工程》2003年袁清升,刘文来源文章摘要：针对数字信号传输同步接收机的数字化实现,提出一种载波同步新算法即相位处理载波恢复算法。它直接对接收信号的相角进行处理,完成载波频率的快速捕获和载波相位跟踪。理论分析和计算机仿真表明,该算法简单有效,运算量小,便于用DSP器件来实现,适用性强。定义6： 2个调相边带功率之和是总功率的一半,2个调幅边带功率之和是总功率的另一半,换句话说,总噪声功率N0的一半功率转换到调相边带,另一半转换到调幅边带,转换到调相边带的噪声称为相位噪声源自: 卫星通信系统中相位噪声之理论及测试《电信科学》2000年殷琪

使用实时采样示波器测量相位噪声——

使用实时采样示波器测量相位噪声——第一部分来源：互联网什么是相位噪声？维基百科对相位噪声的定义是：“波形相位在频域中的快速、短期、随机波动，由时域的不稳定（抖动）引起。”噪声一词的定义说明该术语不涉及任何杂散项或确定项。上面定义中的“短期”旨在将该定义与其他确定时钟源纯净度的方式相区别，例如每百万稳定点，即 ppm。后者通常在较长的一段时间测得，例如数秒或数分钟。相位噪声通常以对数频率图表示，例如下图（图 1），图中幅度单位为 dBc/Hz（分贝与 1 Hz 带宽载波功率的比值）。x 轴表示相对于标称信号或“载波”频率的频率偏移。图 1 为什么使用示波器？在说明如何使用示波器测量相位噪声之前，最好先了解一下为什么使用实时示波器。现在已经有了专门测量相位噪声的仪器，例如 Keysight E5052B 信号源分析仪（SSA），它拥有比任何示波器都低的相位噪声测量本底噪声。SSA 能够执行准确测量，更接近相位噪声偏

移值，测量速度也比任何示波器都快。但是该仪器也有一些测量限制，例如对最大频率偏移范围有所要求。相位噪声分析仪的典型最大偏移为 100MHz。对大于 100 MHz 的时钟频率，有时也要测量更高的频率偏移，但这超出了此类仪器的测量范围。但示波器可以测量传递到数据信号上的相位噪声，而不仅仅测量时钟。示波器使用简单如果也足以满足测量要求，当预算不足以购买专用的相位噪声测量设备时更是上佳选择。相位提取示波器可以捕捉整个信号波形并对其进行数字化，有多种方法可以从数字化波形中提取相位噪声信息。本文将简要介绍两种方法： 1.时钟恢复 2.通过矢量信号分析软件执行相位解调通过串行数据时钟恢复执行相位解调示波器分析信号是否达到设定的电压阈值，并将其与参考时钟边沿对比，从而测量串行数据或时钟信号的时序变化（抖动）。对于相位噪声，我们希望参考时钟为理想的固定频率时钟。大部分现代示波器都具有时钟恢复算法，可以从信号中提取时钟。在许多情况下，我们希望通过算法实现锁相环（PLL）仿真，但在这里，我们只需要提取一个固定周期的理想时钟，因此我们不会像 PLL 那样“追查出”任何相位变化。建立时钟恢复的示例如下图。（图 2）算法可设置为根据每次采样结果调整标称信号频率和相位。

一种新型的相位噪声测试仪

一种新型的相位噪声测试仪用于无线传输的收发模块的性能主要决定于所用本振的相位噪声。因此模块特性的准确测量，特别是相位噪声的测量，是进行有效通信和广播的基本保证，在雷达系统等特殊的高科技领域应用中也是如此。在普通的相位噪声测量应用中，一台频谱分析仪通常可以满足测试要求。但是，如果需要更大的动态范围、更高的测量精度以及更多的灵活性时，基于锁相环（PLL）的测量方法测量相位噪声更加适合。RS（罗德与施瓦茨公司）的信号源分析仪FSUP 便在一台仪表上集合了这两种功能：它既提供给用户一台频率可高达50GHz 的顶级频谱分析仪（RS FSUP），同时具备了基于锁相环测量方法的相位噪声测量功能。图1 RS FSUP 将频谱仪和基于锁相环测试方法的相噪测试仪集于一体基于锁相环法测量相位噪声通常，基于锁相环法测量相位噪声非常复杂，而测量的校准工作更为麻烦。不过，FSUP 为客户大大地简化了整个测量步骤，使得相位噪声的测量只需一个按键。此外，该仪器也能提供灵活的设置以满足特殊的测量需要。用户可以选择外部或内部参考源，也可以选择调整任一个源使它们在比较器中相位正交。然而，更多的应用是利用内部比较器和内部参考源进行测量，FSUP 将这样的测量方式设置为默认方式，当然用户也可通过菜单方便地选择其他测量方式。如果像需要外部参考源和外部比较器这样相对复杂的测量设置时，FSUP 会提供框图帮助。屏幕中会显示连接框图，指导用户如何连接不同的模块。而前面板上的发光二极管会指示应该连接哪个输出和输入口。仪器中的预测量功能会测量振荡器的所有重要参数，比如功率和调谐斜度等。然后FSUP 将自动选择理想的测量参数。根据输入频率的不同，仪器利用内部的频率倍频器使内部参考源工作在一个理想的范围内。同时，用户也可以改变预置的参数。图2 利用鉴相器法测量相位噪声，信号频率、电平

相位噪声

相位噪声的物理意义及测量方法 1、相位噪声的概念及其表征相位噪声一般是指在系统内各种噪声作用下引起的输出信号相位的随机起伏。通常相位噪声又分为频率短期稳定度和频率长期稳定度。所谓频率短期稳定度, 是指由随机噪声引起的相位起伏或频率起伏。至于因为温度、老化等引起的频率慢漂移,则称之为频率长期稳定度。通常我们主要考虑的是频率短期稳定度问题，可以认为相位噪声就是频率短期稳定度。现代电子系统和设备都离不开相位噪声测试的要求，因为本振相位噪声影响着调频、调相系统的最终信噪比，恶化某些调幅检波器的性能；限制频移键控（FSK）和相移键控（PSK）的最小误码率；影响频分多址接收系统的最大噪声功率等。在很多高级电子系统和设备中，核心技术中往往有一个低相位噪声频率源。可见对相位噪声进行表征、测试以及如何减小相位噪声是现代电子系统中一个回避不了的问题。一个理想的正弦波信号可用下式表示： V(t)=A0sin2πf0t （1）式中，V(t)为信号瞬时幅度，A0为标称值幅度，f0为标称值频率。此时信号的频谱为一线谱。但是由于任何一个信号源都存在着各种不同的噪声，每种噪声分量各不相同，使得实际的输出成为： V(t)=[A0+ε(t)]sin[2πf0t+j(t)] （2）在研究相位噪声的测量时，由于考虑振荡器的幅度噪声调制功率远小于相位噪声调制功率，所以|ε(t)|<

高精度测相技术比较

高精度测相方法的研究和比较摘要：相位测量技术的研究由来已久，最早的研究和应用是在数学的矢量分析和物理学的圆周运动以及振动学方面，随之在电力部门、机械部门、航空航天、地质勘探、海底资源等方面也相应得到重视和发展。随着电子技术和计算机技术的发展，相位测量技术得到了迅速的发展。本文主要阐述常用相位测量技术和数字测相，介绍这两种方法里面的一些具体测量手段并做了详细研究和比较。关键词：常用相位测量技术；数字测相； The Study and Compare of Phase Measurement Technology WEI Kaiming, LIU Zhihao (University of Electronic Science and Technology of China, School of Automation Engineering) Abstract: Phase measurement technology research for a long time, is the earliest research and application of vector analysis in mathematics and the circular motion of physics science and vibration. Then in the electric power department, the department of mechanical, aerospace, geological exploration, undersea resources also pay attention to and develop corresponding. With the development of electronic technology and computer technology, Phase measurement technology got rapid development. This article mainly elaborates common phase measurement technology and digital phase, introduces the two methods in some specific measures and made a careful study and comparison. Key words:Common phase measurement technology；Digital phase measurement；Comparison 现代相位测量技术的发展可分为三个阶段:第一阶段是在早期采用的诸如阻抗法、和/差法、三电压法、比对法和平衡法等,虽然方法简单,但测量精度较低；第二阶段是利用数字专用电路、微处理器、FPGA、CPLD、DSP等构成测相系统,使测量精度得以大大提高；第三阶段是充分利用计算机及智能化虚拟测量技术,从而大大简化设计程序,增强功能,使得相应的产品精度更高、功能更全。与此同时,各种新的算法也随之出现。目前国内外各种新的测量算法、测量手段和新的设计方法及器件也随之出现，主要包括有:用专用数字处理芯片,利用正余弦表格及傅立叶变换方法来计算相位差,可以大大提高测量精度。采用新器件及设计方法提高相位测量精度及展宽

频谱仪测量中常见的几种误差

频谱仪测量中的误差频谱仪是用于检查、测量、控制、分析、计算和显示被测对象的电参数、几何量及其运动状况的器具或装置。但很多在使用其设备测量中会出现误差现象，那么仪器仪表测量中有哪些常见误差呢？ 1.影响误差又称为环境误差，是指频谱仪由于受到温度，湿度，气压，电磁场，机械振动，声音，光，放射性等影响所造成的附加误差。 2.人身误差由于人的感觉器官和运动器官的限制所造成的误差。对于某些需借助于人眼，人耳来判断结果的测量，以及需进行人工调节等的测量工作，均会引入人身误差。比如：读错刻度，念错读数等。 3.仪器，仪表误差由仪器本身及其附件所引入，出于仪器的电气或机械性能不完善所产生的误差。比如：频谱仪的天线误差、电桥中的标准电阻、示波器的探极线等都含有误差。仪器，仪表的零位偏移，刻度不准确，以及非线性等引起的误差均属于仪器误差。 4.使用误差又称为操作误差，是指在使用仪器过程中，因安装，调节，布置，使用不当而引起的误差。比如：按规定应垂直放置的仪表却水平放置，仪器接地不良，因测试引线太长而造成损耗或未考虑阻抗匹配，未按操作规程在没有预热，调节，校正后就迸行测量等，都会产生使用误差。 5.方法误差是指由于使用的测量方法不完善，理论依据不严密，对某些经典测量方法做了不适当的修改简化所产生的误差，即凡是在测量结果的表达式中没有得到反映的因素，而实际上这些因素又起作用时所引起的误差，我们又称为理论误差。比如：用普通万用表测量电路中高阻值电阻两端的电压时，由于万用表电压挡内阻不高而形成分流，就会引起测量误差。

总结：GA4063频谱分析仪采用数字中频转换和信号处理链，通过全数字中频技术、集成RF微带电路技术，高频宽带小数分频逐点锁相本振合成技术，从而在显示平均噪声电平，相位噪声，分辨率带宽，高级测量功能等指标达到了国外同类产品水平。频谱分析仪是一个具有强大功能的仪器，从它问世以来一直是科学家、工程师探索科学技术、解决工程难题的重要武器，还能够测试震荡器、混频器。在具体实际测量运用中，采用高新技术，采用准确的测试法，使测试结果更精确，更可靠，为科研生产提供了保证，确保科研成果和产品的质量

结构光视觉测量中相位技术研究

结构光视觉测量中相位技术研究结构光视觉测量技术是通过投射光栅条纹于被测物体表面,获取受物体表面高度调制的相位信息,进而得到被测物体表面深度信息。其相关技术在逆向工程、工业生产、医学等诸多领域广泛应用。其中相位处理技术是结构光视觉测量关键技术之一,决定了测量精度,因而本文围绕相位处理相关技术对结构光视觉测量展开研究。论文的主要研究工作包括以下四个方面:(1)研究结构光视觉测量系统模型。根据结构光测量系统数学模型,分析图像像素坐标、相位与摄像机坐标之间的关系。完成硬件系统设计并对CCD摄像机和数字投影仪选型。(2)针对结构光测量系统的非正弦化误差,研究相位校正技术。对摄像机采集的光栅条纹非正弦化误差进行理论分析,指出相位误差形成原因;在分析Gamma非线性效应模型与镜头离焦效应的基础上,研究基于相位映射关系的结构光相位校正方法;最后通过实验验证本文非正弦化理论分析的正确性,同时对非正弦性光栅条纹进行校正实验,结果表明本文方法能显著降低相位误差。 (3)研究相位解缠技术。根据解相过程,分析包裹相位获取方法,重点研究相移法求解包裹相位方法;分析多频外差和径向基函数解缠方法,针对不足之处,对图像不同复杂度区域,选择不同径向基函数宽度,改进径向基函数的相位解缠方法;最后使用模拟相位进行解相实验,结果表明,改进方法有更好的相位解缠效果,对噪声具有更好的鲁棒性。(4)实现结构光视觉测量系统。根据结构光视觉测量系统数学模型,完成测量平台搭建与软件设计,并标定投影仪与摄像机。结合本文研究方法和标定参数,分别对平面和阶梯状工件进行实例测量,测量结果表明本文方法具有可行性,且测量结果在预期范围内。