什么是相位噪聲？

相位噪聲是振蕩器信號(hào)周?chē)肼曨l譜的頻域視圖。它描述的是振蕩器的頻率穩(wěn)定性。頻率穩(wěn)定性可以分為兩個(gè)部分：長(zhǎng)期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性。長(zhǎng)期穩(wěn)定性（如精度、漂移和老化）以小時(shí)、天、月或年為單位表示。短期穩(wěn)定性〈如相位噪聲）則在幾秒甚至更短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。短期變化對(duì)系統(tǒng)影響更大，特別是對(duì)于相位噪聲。

相位噪聲測(cè)量單位

最常用的相位噪聲測(cè)量單位是與載波頻率功率距離一個(gè)特定頻率的1赫茲帶寬內(nèi)的單邊帶(SSB)功率。

￡(f) = 1 Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率/總信號(hào)功率

其中，￡(f) 的單位為 dBc/Hz.

圖1 所示為 SSB 單邊帶相位噪聲測(cè)量結(jié)果。頻率和幅度均為對(duì)數(shù)刻度。對(duì)數(shù)圖顯示的是由最小和最大偏移頻率指定的頻率范圍內(nèi)的相位噪聲測(cè)量值。黃色跡線為原始測(cè)量結(jié)果，藍(lán)色跡線為平滑后的結(jié)果。下表列出了十進(jìn)制頻率偏移和相應(yīng)的噪聲功率（歸一化到 1 Hz 帶寬）。

圖 1．SSB單邊帶相位噪聲及對(duì)數(shù)圖和十進(jìn)制表

信號(hào)發(fā)生器的體系結(jié)構(gòu)和相位噪聲

大多數(shù)信號(hào)發(fā)生器體系結(jié)構(gòu)包括參考振蕩器、合成器、電壓控制 / YIG振蕩器和輸出部分。每個(gè)元器件對(duì)相位噪聲特性會(huì)產(chǎn)生不同的影響，如圖2所示。如果偏移低于 1 kHz，噪聲由參考振蕩器的性能決定，它會(huì)擴(kuò)大到載波頻率。如果偏移在 1 kHz到大約 100 kHz之間，合成器的影響最大。VCO / YIG 振蕩器的偏移在 100 kHz到 2 MHz之間，輸出放大器的偏移頻率高于 2 MHz。

圖2．相位噪聲性能的貢獻(xiàn)

相位噪聲有什么作用?

信號(hào)源相位噪聲性能是獲得精確測(cè)量的關(guān)鍵因素。它可以用作航空航天和國(guó)防以及數(shù)字中特定應(yīng)用的限制因素。理解相位噪聲對(duì)測(cè)試的影響非常重要。

雷達(dá)應(yīng)用

雷達(dá)系統(tǒng)需要出色的相位噪聲性能。雷達(dá)以特定頻率發(fā)射脈沖，并測(cè)量每個(gè)返回脈沖的頻率變化。每個(gè)返回脈沖的頻率變化與基于多普勒效應(yīng)的運(yùn)動(dòng)物體的速度有關(guān)。如果目標(biāo)移動(dòng)非常緩慢，那么返回脈沖的頻移很小。在下面的圖7中，移動(dòng)目標(biāo)的返回脈沖是“有用信號(hào)”，固定目標(biāo)（如地面）的返回脈沖是“干擾信號(hào)”。如果有用下變頻信號(hào)被相位噪聲掩蓋，那么雷達(dá)接收機(jī)無(wú)法識(shí)別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

圖3、不良的 LO 相位噪聲影響雷達(dá)接收機(jī)靈敏度

數(shù)字調(diào)制

我們來(lái)看看數(shù)字調(diào)制。圖4所示為QPSK數(shù)字接收機(jī)的簡(jiǎn)化方框圖。LO信號(hào)的相位噪聲轉(zhuǎn)換成了混頻器的輸出。相位噪聲對(duì)星座圖的直接影響是符號(hào)的徑向拖尾（用綠色表示）。在高階調(diào)制方案（如256 QAM）中，符號(hào)更接近，符號(hào)拖尾導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度下降、比特誤碼率 (BER) 上升。

圖4．具有不良相位噪聲 LO 的數(shù)字接收機(jī)簡(jiǎn)化框圖

正交頻分復(fù)用(OFDM)

正交頻分復(fù)用(OFDM)是廣泛用于寬帶數(shù)字通信的制方案。OFDM使用許多緊密間隔的正交子載波信號(hào)來(lái)并行傳輸數(shù)據(jù)，如圖9所示。在具有較差相位噪聲LO的頻率轉(zhuǎn)換期間，帶有相位噪聲的子載波作為干擾擴(kuò)散到其他子載波中。相位噪聲降低了OFDM信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量。

圖 5．OFDM信號(hào)使用較差相位噪聲LO上變頻

表1 所示為使用OFDM調(diào)制方案的現(xiàn)代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的子載波間隔。

表1 OFDM信號(hào)的子載波間隔。

從上表可以看出，子載波間隔位于信號(hào)發(fā)生器的合成器或振蕩器會(huì)話中。為了獲得**調(diào)制質(zhì)量下的性能，您需要盡可能降低特定頻率偏移的載波相位噪聲。