相位噪聲是什么

1概述

定義

相位噪聲和抖動(dòng)是對(duì)同一種現(xiàn)象的兩種不同的定量方式。在理想情況下，一個(gè)頻率固定的完美的脈沖信號(hào)(以1 MHz為例)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該恰好是1微秒，每500ns有一個(gè)跳變沿。但不幸的是，這種信號(hào)并不存在。實(shí)際信號(hào)的信號(hào)周期的長(zhǎng)度總會(huì)有一定變化，從而導(dǎo)致下一個(gè)沿的到來時(shí)間不確定。這種不確定就是相位噪聲，或者說抖動(dòng)。

頻域概念

相位噪聲是對(duì)信號(hào)時(shí)序變化的另一種測(cè)量方式，其結(jié)果在頻率域內(nèi)顯示。用一個(gè)振蕩器信號(hào)來解釋相位噪聲。如果沒有相位噪聲，那么振蕩器的整個(gè)功率都應(yīng)集中在頻率f=fo處。但相位噪聲的出現(xiàn)將振蕩器的一部分功率擴(kuò)展到相鄰的頻率中去，產(chǎn)生了邊帶(sideband)。從圖2中可以看出，在離中心頻率一定合理距離的偏移頻率處，邊帶功率滾降到1/fm，fm是該頻率偏離中心頻率的差值。

相位噪聲通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。一個(gè)振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號(hào)功率與信號(hào)的總功率比值。[!--empirenews.page--]

2 相位噪聲表征

一個(gè)理想的正弦波信號(hào)可用下式表示：

V(t)=A0sin2πf0t (1)

式中,V(t)為信號(hào)瞬時(shí)幅度,A0為標(biāo)稱值幅度,f0為標(biāo)稱值頻率。此時(shí)信號(hào)的頻譜為一線譜。但是由于任何一個(gè)信號(hào)源都存在著各種不同的噪聲,每種噪聲分量各不相同,使得實(shí)際的輸出成為：

V(t)=[A0+ε(t)]sin[2πf0t+j(t)] (2)

在研究相位噪聲的測(cè)量時(shí),由于考慮振蕩器的幅度噪聲調(diào)制功率遠(yuǎn)小于相位噪聲調(diào)制功率,所以 ε(t) <

V(t)=A0sin[2πf0t+j(t)] (3)

對(duì)j(t)的測(cè)量,可以用各種類型的譜密度來表示。顯然此時(shí)的相位起伏為Δj(t)=j(t),頻率起伏為Δf(t)=[dj(t)/dt]/2π。常用的相對(duì)頻率起伏：

y(t)=[dj(t)/dt]/2πf0 (4)

由于相位噪聲j(t)的存在,使頻率源的頻率不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定度常用時(shí)域阿侖方差σ2y(2,τ,τ)及頻域相對(duì)單邊帶功率譜(簡(jiǎn)稱功率譜)Lp(f)或相噪功率譜Sj(f)來表征。它們的定義為：

σ2y(z)=σ2(2,τ,τ)=(1/v20)(1/2)(y1-y2)2 (5)

式中y1,y2為測(cè)量采樣時(shí)間τ的相鄰二次測(cè)量測(cè)得的頻率平均值。

Lp(f)=[PSSB(f)/P0](dBc/Hz) (6)

其中PSSB(f)為一個(gè)相位噪聲調(diào)制邊帶在頻率為f處的功率譜密度,P0為載波功率。

由(3)及(4)式得相位起伏的自相關(guān)函數(shù)Rj(τ)=[j(τ),j(t+τ)]和相對(duì)頻率起伏的自相關(guān)函數(shù)Ry(τ)=[y(τ), y(t+τ)],由維納-欽辛定理可知自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度間存在如下關(guān)系

表示傅里葉變換對(duì)。通常j(t)<<1,近似有

Lp(f)=(1/2)Sj(f)[1](7)

3相位噪聲產(chǎn)生原因

1，相位調(diào)制的方法：PSK，DPSK，DQPSK產(chǎn)生

2，相位噪聲的起因：放大器噪聲和非線性克爾效應(yīng)，也即自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(XPM)和四波混頻，但一般在分析的時(shí)候只考慮到SPM引起的相移效應(yīng)。

3，相位噪聲的統(tǒng)計(jì)特性;這是研究這方面的重點(diǎn)和難點(diǎn)，和其他的隨機(jī)過程一樣，非線性相位噪聲和光強(qiáng)度也服從一定的聯(lián)合概率分布。按照K.P.Ho的paper一般用特征函數(shù)來求其聯(lián)合概率分布。其結(jié)論是，同激光的相位統(tǒng)計(jì)噪聲不同，相位調(diào)制的相位噪聲服從菲中心卡方分布和高斯隨機(jī)分布的卷積(見Stastics of Noline phase Noise) 。

4,非線性相位噪聲的補(bǔ)償：線性和非線性，使用的是MMSE和MAP準(zhǔn)則，同一般通信原理中的最小誤碼概率方法的一樣。但其實(shí)現(xiàn)較困難的。[!--empirenews.page--]

5，以上考慮基本上沒有考慮色散和PMD和DWDM中的效應(yīng)，因此，在實(shí)際計(jì)算是應(yīng)該考慮更多，但基本思想還是一樣，就是利用概率來使信號(hào)的BER最小。

5 相位噪聲的影響

接收機(jī)

電子技術(shù)的發(fā)展，使器件的噪聲系數(shù)越來越低，放大器的動(dòng)態(tài)范圍也越來越大，增益也大有提高，使得電路系統(tǒng)的靈敏度和選擇性及線性度等主要技術(shù)指標(biāo)都得到較好的解決。隨著技術(shù)不斷提高，對(duì)電路系統(tǒng)又提出了更高的要求，這就要求電路系統(tǒng)必須低相位噪聲，在現(xiàn)代技術(shù)中，相位噪聲已成為限制電路系統(tǒng)的主要因素。低相噪對(duì)提高電路系統(tǒng)性能起到重要作用。

在現(xiàn)代接收機(jī)中，各種高性能，例如大動(dòng)態(tài)、高選擇性、寬頻帶捷變等都受相位噪聲限制。尤其在電磁環(huán)境越來越惡劣的情況下，接收機(jī)經(jīng)過混頻從強(qiáng)干擾信號(hào)中提取弱小有用信號(hào)是非常重要的。如果在弱小信號(hào)鄰近處存在強(qiáng)干擾信號(hào)，這兩種信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)混頻器，就會(huì)產(chǎn)生所謂倒易混頻現(xiàn)象。

看出本振相噪差時(shí)，混頻后中頻信號(hào)被混頻后的干擾信號(hào)所淹沒，如果本振相噪好則信號(hào)就能顯露出來，只需有一個(gè)好的窄帶濾波器既可有效的濾出信號(hào)。如果本振相噪差，即使中頻濾波器能夠?yàn)V除強(qiáng)干擾中頻信號(hào)，強(qiáng)干擾中頻信號(hào)的噪聲邊帶仍然淹沒了有用信號(hào)，使接收機(jī)無法接收到弱小信號(hào)，尤其對(duì)大動(dòng)態(tài)、高選擇性的接收機(jī)，這種現(xiàn)象很明顯。因此要求接收機(jī)具有良好的選擇性和大動(dòng)態(tài)，則接收機(jī)本振信號(hào)的相噪必須好。[!--empirenews.page--]

通訊系統(tǒng)

相位噪聲好壞對(duì)通訊系統(tǒng)有很大影響，尤其現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中狀態(tài)很多，頻道又很密集，并且不斷的變換，所以對(duì)相噪的要求也愈來愈高。如果本振信號(hào)的相噪較差，會(huì)增加通信中的誤碼率，影響載頻跟蹤精度。

相噪不好不僅增加誤碼率和影響載頻跟蹤精度，還影響通信接收機(jī)信道內(nèi)、外性能測(cè)量，相噪對(duì)鄰近頻道選擇性的影響。要求接收機(jī)選擇性越高，則相噪就必須更好，要求接收機(jī)靈敏度越高，相噪也必須更好。

多普勒雷達(dá)系統(tǒng)

當(dāng)目標(biāo)超低空飛行時(shí)，雷達(dá)面臨著很強(qiáng)的地面雜波，要想從強(qiáng)地雜波中提取信號(hào)目標(biāo)，雷達(dá)必須有很高的改善因子。因?yàn)檫@些雜波進(jìn)入接收機(jī)，經(jīng)混頻后，很難把有用信號(hào)與強(qiáng)地物反射波分離開，尤其對(duì)低速度運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并接近地面時(shí)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)就變得非常困難，這時(shí)只有提高雷達(dá)改善因子。

為了提高低空檢測(cè)能力，提高對(duì)低空突防目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力，頻率源的低相噪非常重要，雷達(dá)能從強(qiáng)雜波環(huán)境中區(qū)分出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，則要求雷達(dá)必須全相參產(chǎn)生出極低相噪的發(fā)射信號(hào)和接收機(jī)本振信號(hào)及各種相參基準(zhǔn)信號(hào)，如果改善因子要求大于50dB，頻率源的時(shí)域ms頻率穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于10-10量級(jí)，相噪在S波段偏1KHz應(yīng)優(yōu)于-105dBc/Hz，100KHz優(yōu)于-125dBc/Hz。[!--empirenews.page--]

另外雷達(dá)往往工作在脈沖狀態(tài)，尤其低重復(fù)周期雷達(dá)，調(diào)制后的雷達(dá)載頻頻譜為辛格譜，每一根辛格譜遠(yuǎn)端相噪將迭加給其他辛格譜，使兩根相鄰辛格譜之間的相噪大大惡化。在頻率源“遠(yuǎn)端”相噪不夠低的情況下，這種惡化是很明顯的。從這一點(diǎn)看，雷達(dá)頻率源不能只要求偏離1KHz相噪，同時(shí)對(duì)偏離10KHz、100KHz及1MHz都應(yīng)該有一適當(dāng)要求，一般應(yīng)按冪律譜下降，這樣才能保證脈沖調(diào)制后的發(fā)射頻譜合格，取得好的改善因子。