相位噪聲及其測(cè)試技術(shù)

1、科技信息2009年第7期 SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 科0.引言調(diào)相系統(tǒng)的最終信噪比,會(huì)惡化某些調(diào)幅檢波器的性能,限制FSK 和PSK 的最小誤碼率,影響頻分多址接收系統(tǒng)的最大噪聲功率。對(duì)相位噪聲進(jìn)行表征、測(cè)試以及如何減小相位噪聲是電子系統(tǒng)中一個(gè)回避不了的問(wèn)題。本文較詳細(xì)的闡述了相位噪聲的概念及其測(cè)試。1.相位噪聲的概念及其表征1.1相位噪聲的概念相位噪聲是指信號(hào)源中,輸出頻率的短期穩(wěn)定性指標(biāo)。由于相位噪聲的存在,引起載波頻譜的擴(kuò)展。在實(shí)際應(yīng)用,所有信號(hào)源的輸出都存在著幅度、頻率或相位的起伏,這些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪聲。1.2相位噪聲的來(lái)

2、源信號(hào)源中的雜散分量一般是由電源紋波、機(jī)械振動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部鑒相信號(hào)的泄漏或其它電路的信號(hào)竄擾,具有一定的規(guī)律性。另外一種呈隨機(jī)分布的相位噪聲通常是由振蕩器本身內(nèi)各器件所產(chǎn)生的各種隨機(jī)噪聲引起的。1.3單邊帶相位噪聲的定義信號(hào)源中,由于相位噪聲的存在,在頻域中,輸出信號(hào)的譜線相位調(diào)制邊帶的功率P SSB 與總功率P S 之比,即L(f m =P SSB P S=功率密度(一個(gè)相位調(diào)制邊帶1Hz 總的載波功率L(f m 通常用相對(duì)于載波1Hz 帶寬的對(duì)數(shù)來(lái)表示,單位為dBc/Hz 。為了得到L(f m 與隨機(jī)的或正弦相位調(diào)制的一般關(guān)系,首先研究正弦相位調(diào)制信號(hào),然后再研究隨機(jī)相位調(diào)制信號(hào)。令正弦相位

3、調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)相位為(t=m sin2f m t于是得到相位調(diào)制信號(hào)為v(t=V 0cos(2f 0t+m sin2f m t (1假定m <<1rad ,式(1可以簡(jiǎn)化成V(t=V 0cos2f 0t+m 2V 0cos2(f 0+f m t-m 2V 0cos2(f 0-f m t上式中,第一項(xiàng)為載波信號(hào),后兩項(xiàng)為噪聲邊帶分量,稱為相位噪聲。這樣,一個(gè)噪聲邊帶信號(hào)的幅度與載波信號(hào)幅度之比為V SSB S=V 0J 1(m V 0J 0(m =J 1(m J 0(m =m2如果用功率表示,可得到P SSB P S =(1m 2=1RMS 2,式中的RMS 為調(diào)相指數(shù)的有效值。由此

4、可知,正弦相位調(diào)制信號(hào)的單邊帶相位噪聲為調(diào)相指數(shù)有效值平方的一半。T T乙n 2(t dt =2乙sin (f m df m ,式中,n 2代表隨機(jī)相位的方均值(即總功率;Sin(f m 代表n (t的功率分布,即功率譜密度函數(shù)。假定n (t<<1,則調(diào)相信號(hào)可表示為:V(tV 0cos2f 0t -V 0n (t sin2f 0t ,上式中的第一項(xiàng)為有用信號(hào),第二項(xiàng)仍為一個(gè)隨機(jī)函數(shù),可以用功率譜密度函數(shù)來(lái)表示。于是,由隨機(jī)信號(hào)的調(diào)制理論有,調(diào)相信號(hào)的單邊帶噪聲功率譜密度為P SSB (|f-f 0|=1V 02sin (f m ,于是輸出信號(hào)的單邊帶相位噪聲為L(zhǎng)(f m =P S

5、SB P S1Hz=12sin (f m ,即:S n (f m =2L(f m ,由此可知,隨機(jī)相位調(diào)制信號(hào)的單邊帶相位噪聲為隨機(jī)相位噪聲功率譜密度的一半。2.相位噪聲的測(cè)試技術(shù)2.1直接頻譜儀法將未調(diào)制的高頻或者微波載頻信號(hào)直接加到適合的頻譜儀上,從該信號(hào)的頻譜,便可觀測(cè)出該被測(cè)信號(hào)的噪聲。直接頻譜儀法,它可以直接顯示單邊帶相位噪聲L(f,精確地顯示兩邊帶上的離散信號(hào)。該方法適宜測(cè)量漂移較小但相位噪聲相對(duì)較高的信號(hào)源。其缺點(diǎn)是受頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍和最小分辨帶寬的限制,不能測(cè)量頻譜純凈的源;不能分辨調(diào)幅噪聲及調(diào)幅噪聲嚴(yán)重的源。2.2鑒頻法鑒頻法也稱單源法。就是將被測(cè)信號(hào)源的頻率起伏f 由某種微

6、波鑒頻器變?yōu)殡妷浩鸱黇 ,用基帶頻譜儀進(jìn)行測(cè)量,直接得出S(f,進(jìn)而也可求出S(f或者L(f。圖1鑒相法相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)框圖系統(tǒng)工作原理:將被測(cè)源信號(hào)經(jīng)功分器分兩路,一路經(jīng)寬帶延遲線時(shí)延,以便將頻率起伏變?yōu)橄辔黄鸱筮M(jìn)入鑒相器,另一路信號(hào)經(jīng)寬帶可變移相器相移后進(jìn)入鑒相器進(jìn)行正交鑒相,由鑒相器將相位噪聲轉(zhuǎn)換為電壓噪聲,經(jīng)信號(hào)處理后,測(cè)得被測(cè)信號(hào)的相位噪聲功率譜S(f和相對(duì)單邊功率譜L(f。L(f=(1/2S(f=S(f/f=S(f/Kf ;K=2d 式中,S(f為被測(cè)源信號(hào)頻率起伏f 功率譜,S(f為鑒相器輸出電壓功率譜,K 為鑒頻系數(shù),d 為鑒相器系數(shù)。鑒頻法具有不需要參考頻率源、低的寬頻帶噪

7、聲底部、抑制調(diào)幅、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是該方案只適宜于測(cè)量頻率隨機(jī)漂移較大振蕩器。2.3鑒相法鑒相法是將被測(cè)信號(hào)與一同頻高穩(wěn)定的參考源進(jìn)行正交鑒相。圖2鑒相法相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)框圖在此方案中,采用外差方式將被測(cè)源信號(hào)降至中頻,在中頻用晶體濾波器和含VCO 的PLL 提純,以獲取被測(cè)信號(hào)的連續(xù)載波信號(hào),該信號(hào)經(jīng)相移后與被測(cè)信號(hào)鑒相器中正交鑒相,提取被測(cè)信號(hào)的相位噪聲。鑒相器將被測(cè)信號(hào)的相位噪聲轉(zhuǎn)換為電壓噪聲。經(jīng)信號(hào)處理后,測(cè)得S(f或L(f。該方案的優(yōu)點(diǎn)是采用外差方案,被測(cè)信號(hào)頻率范圍寬,系統(tǒng)靈敏度較高。缺點(diǎn)是載波提純,移相器的研制較困難,而且相移器、晶體濾波器特性,鑒相增益等受溫度和噪聲大小等諸多因素的影響而變化,不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。3.結(jié)束語(yǔ)相位噪聲是許多現(xiàn)代電子系統(tǒng)和設(shè)備的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題,通過(guò)相位噪聲的表征和測(cè)試的研究,找到影響頻率源穩(wěn)定性的因素,可應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng),衡量其頻率源的質(zhì)量?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1郭衍瑩,現(xiàn)代電子設(shè)備的頻率穩(wěn)定度,宇航出版社,1989.2羅賓斯(Robins,W.P.,相位噪聲,人民郵電出版社,1988.3張海明,頻率源相位噪聲特性分析,無(wú)線電通信技術(shù),1999年第25卷第一期.責(zé)任編輯:翟成梁相位噪聲