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                      相位噪聲的兩種定義與測試方法簡述

                      2020-12-28 來源:微波射頻網作者:皓月 我要評論(0) 字號:

                      相位噪聲是非常重要的射頻指標。在通信系統中,相位噪聲會影響矢量調制信號的矢量調制誤差并惡化誤碼率。在雷達應用中,相位噪聲會影響雷達相參處理增益和雜波抑制能力。在高速數字電路中,相位噪聲引起的抖動也會影響數字電路的最高工作頻率。

                      相位噪聲是振蕩器在短時間內頻率穩定度的度量參數。理想正弦波信號可以表示如下:

                      A (t) =A0 cos(ω0 t +φ )

                      真實情況下,幅度、頻率、相位都可能因為噪聲而存在波動。數學上,頻率的波動和相位的波動可以合并為一項,統一由相位的波動表示。真實的正弦波信號可以表示如下:

                      A (t) =A0 [1+α(t) ] cos[ ω0 t +φ(t) ]

                      其中α(t) 為幅度波動,φ(t) 為相位波動。幅度噪聲和相位噪聲都會引起信號頻譜的展寬。

                      一、相位噪聲的頻譜定義與測試方法

                      對相位噪聲的描述一般不采用時域的方式描述,而采用頻域的方式描述,這樣可以描述偏離載波不同頻偏處的相位噪聲。

                      傳統的相位噪聲是如下定義的:以載波的幅度為參考,在偏移一定的頻率下的單邊帶相對噪聲功率。這個數值是指在1Hz的帶寬下的相對噪聲電平,其單位為dBc/Hz。我們可以稱之為相位噪聲的頻譜定義。

                      圖 1、相位噪聲的頻譜定義示意圖

                      這種相位噪聲的定義可以方便的使用頻譜儀測試,因而也是最廣為人知的相位噪聲定義。在1988年版本的“IEEE基本頻率和時間計量物理量的標準定義”(IEEE standard 1139-1988)也是采用的此定義。

                      但是頻譜儀測量相位噪聲卻有不少局限性:

                      ·    測量靈敏度不高,受到頻譜儀固有相位噪聲的限制。因為頻譜儀是超外差接收機結構,接收機本振的相位噪聲限制了頻譜儀測量相位噪聲的靈敏度。

                      ·    無法區分調幅噪聲和相位噪聲,因為兩者都會引起頻譜的展寬。

                      ·    無法測量非常近載波的相位噪聲,最小頻偏受分辨率濾波器形狀因子限制。

                      ·    頻譜儀動態范圍也限制了相位噪聲測量靈敏度。由于噪聲功率與載波功率之間差別巨大,頻譜儀的動態范圍也限制了相位噪聲測量靈敏度。

                      二、相位噪聲的相位定義與測試方法

                      為了測量相位噪聲有更高的靈敏度,工程師們改進了相位噪聲測試的方法,同時也改變了相位噪聲的定義。這種新的測量方法就是直接測量信號相位的鑒相器法。

                      在1999年版本的“IEEE基本頻率和時間計量物理量的標準定義”(IEEE standard 1139-1999)中,將相位噪聲的定義修改為:單邊帶相位噪聲L(f) 定義為隨機相位波動φ(t) 單邊帶功率譜密度Sφ (f) 的一半,其單位為dBc/Hz。我們可以稱之為相位噪聲的相位定義。

                      這個定義回歸了相位波動φ(t) 這個物理量,采用了頻域表述,而1/2的系數則是為了和以前的定義的結果保持一致。

                      鑒相器法通過鑒相器直接測量信號的相位時域波動,通過FFT變換得到頻域描述的相位噪聲。

                      圖 2、鑒相器法測量相位噪聲

                      鑒相器法可以結合鎖相環自動鎖定待測信號,實現自動測試。另外,鑒相器法可以結合互相關算法,使用兩套獨立的硬件從而大幅提高相位噪聲的測量靈敏度。

                      鑒相器方法測量相位噪聲的優點有:

                      ·    可以區分調幅噪聲和相位噪聲

                      ·    測量相位噪聲的靈敏度大幅度提高,互相關算法可突破儀表自身相位噪聲的限制。鑒相器的載波抑制效果可以回避動態范圍問題。

                      ·    可以測量近載波的相位噪聲。

                      三、兩種定義的差異

                      射頻工程師在測量相位噪聲時,很可能兩種定義都會接觸到。當使用頻譜儀測試時,是依據相位噪聲的頻譜定義;當使用更專業的相位噪聲分析儀(或稱為信號源分析儀)測試時,則是依據相位噪聲的相位定義。那么兩種定義下測量出的相位噪聲是否有差異呢?

                      我們可以考慮一種最簡單的情況,沒有幅度波動,只考慮相位波動φ(t) 的一個頻率分量:Sφ (f) ·sin(2πft ):

                      當相位噪聲的頻譜分量Sφ (f) 較小時,根據的一階小量近似。

                      角頻率ω的載波信號幅度為A,角頻率ω+2πf 和ω-2πf 的噪聲信號的幅度為。偏離載波f的噪聲信號與載波功率之比為:。兩種定義一致。

                      因此,在相位噪聲較小時,兩種定義得到的測量結果是一致的。而一般工程上需要測量相位噪聲的情況都是相位噪聲比較小的情況,因此無需擔心兩種定義的測量差異。按照工程經驗,在相位噪聲小于-80dBc/Hz時,兩種定義之間的測量差異可以忽略。

                      但是兩種定義并非沒有區別,新的相位定義已經取代了傳統的頻譜定義,并且新的定義在數學上更加簡潔、更加回歸物理量的本質。同時,新的相位定義并不排斥相位噪聲大于0 dBc/Hz的情況,下次如果發現近載波相位噪聲的測量結果大于0 dBc/Hz,也無需太過驚訝。

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