二相位誤差的概念

1、5 th Symposium on Man ufacturi ng Tech no logy手機中的Phase Error問題摘要：本文對相位誤差的概念作了簡單介紹，總結了工作中的一點經(jīng)驗，希望能給 An alyzer和有關人員分析時提供一點幫助。關鍵詞：相位噪聲、雜散一引言：在實際的通信系統(tǒng)中，任何信號的頻譜都不是絕對純凈的，總是或多或少的存在 噪聲，它們來源于非線性產(chǎn)生的相干寄生信號和系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的非相干噪聲，信號質(zhì) 量因此而變壞，嚴重時可能造成通信中斷，往往會成為整個系統(tǒng)的限制因素。二.相位誤差的概念：一個理想的正弦信號可以表示為：ut =Vcos or o，在時域中它是一個正弦 波，用

2、示波器可以觀測到如圖一的波形。在頻域中它是一根純凈的譜線，如圖二。August 2001.,Motorola Con fide ntial ProprietaryPage 3實際的正弦信號往往帶有寄生調(diào)幅和寄生調(diào)相，可以表示為:u t AV H 亠：t Icosotr t 1E（t ）是瞬時幅度起伏；r（t ）是瞬時相位起伏。通常E（t ） 1，且容易消除（如通 過限幅器）因此：u t i；=V cosotr t 丨（1）由于瞬時頻率是瞬時相位對時間的導數(shù)，所以；t的變化將會引起信號頻率和相位的起伏，稱為信號相對于理想信號的相位誤差。如圖三，這些相位起伏在頻域中表 現(xiàn)為分布在載頻附近的噪聲邊帶

3、和雜散。在時域中表現(xiàn)為相對于理想信號的零交叉變化，如圖四與信號的相位起伏相對應的相位誤差如圖五:信號的相位軌跡偏圖離理想信號的相位軌跡，可以用兩部分來描述。傾斜部分可由一條直線表示，它是頻率誤差引起的，其斜率 丄就是頻率誤差。除去頻率誤差引TII起的相位變化，剩下的隨機起伏部分是相位誤差，它的最大值稱為峰值相位誤差，均 方根值稱為均方值相位誤差。GSM Tx要求：頻率誤差90Hz GSMc 180 Hz DCS峰值相位誤差：:：_20均方值相位誤差:：:51 T:r t 一般由直流分量o =Hm - . r t dt、噪聲n t和雜散WsiCOStsi組T 0成。因為噪聲和雜散n t sCoS

4、 s - s通常較小，當雜散成份只有一項時(1)式可 以表示為：ut =Vcoo n sCos s s 1V cos，ot0 : :n t s cos st s Isinot 0f其中雜散一項：V I cos，包 s si nt 1=才 s bin ot ：o 飛宀 s Sin ，ot ，st s 因此，雜散可以分解為一對對稱邊帶，相當于頻率為.s的信號對頻率為，o的正弦信號調(diào)相。隨機相位噪聲 t可以看作是無限多個正弦信號的疊加。所以，以上結果同樣可 以用于n t。因為；：nt是隨機的、非周期的，相位噪聲邊帶會連續(xù)地分布在載頻的兩 邊。三.理論基礎：3. 1.相位誤差的產(chǎn)生：相位誤差是對信號純

5、度的度量，它源于系統(tǒng)的噪聲和雜散。噪聲主要有三種，熱噪聲、散彈噪聲和低頻(1/f)噪聲，它們都呈高斯型分布。 熱噪聲是電子隨機運動產(chǎn)生的瞬時電流擾動，導體的有效熱噪聲功率為：Pn二kTB。k是波爾茲曼常數(shù)；T是導體的絕對溫度；B是噪聲帶寬。散彈噪聲是由于有源器件中的電流不平滑和不連續(xù)造成的電流脈沖擾動。散彈噪 聲電流的均方根值為ln =2qlB。q是電子電荷；I是直流電流；B是噪聲帶寬。低頻(1/f)噪聲的噪聲譜密度隨頻率的降低而增大。在半導體器件中1/f噪聲的主要根源是材料的表面特性。雜散：又稱非諧波相關離散邊帶，它可能是由外部或內(nèi)部輻射，被系統(tǒng)接收后隨 著頻率變換，落入工作頻帶，也可能是電

6、源或頻率合成過程中產(chǎn)生的。3. 2.電路對信號相位波動的影響：3. 2. 1 .鎖相環(huán)路對噪聲的響應：圖六是鎖相環(huán)路的線性模型圖六Kd為鑒相器的增益、F(s)為低通濾波器的傳遞函 數(shù)、Kv是VCO的壓控靈敏度、N為程序分頻器的分頻比。其傳遞函數(shù)為：閉環(huán)傳遞函數(shù)：因為環(huán)路濾波器圖七H A： j N ;當頻率:-時,開環(huán)傳遞函數(shù)：H so sKdKvF si(s)sKdKvF（s）H ssHo s_ i s _MF s -Ho ssNNF s都是低通濾波器，所以H。s是一個單減函數(shù)，因此H s的鎖相環(huán)對輸入相位信號呈低通特性，環(huán)路的自然諧振頻率 -n由閉環(huán)傳遞函數(shù) H s的極點決定。假設：環(huán)路的相

7、位波動很小，環(huán)路滿足線性條件；各噪聲源是統(tǒng)計獨立的，疊加 原理成立。典型環(huán)路的噪聲模型如圖八。港s nv s pzN時，H D j Ho j ；當I：n 時, 內(nèi)的相位噪聲被通過，帶外的噪聲被抑制。|Hd j- Ho j 圖八環(huán)路對各噪聲源的響應為：J s丄八nd s ；np s-M（2）式中“np s =Vn，環(huán)路對第一項中的噪聲呈低通特性，是環(huán)路對分頻Kd器噪聲S、信號源噪聲二s和鑒相器噪聲電壓Vnp s的響應。例如對分頻器的 : ：. i-sh s噪聲nd s，傳遞函數(shù)為：Hd S 二-。頻率響應為：當-nnd（S） + Ho（S）NHd j-二N，如圖九。分頻器落在環(huán)路帶寬圖九-ML1

8、S45 th Symposium on Man ufacturi ng Tech no logyAugust 2001Motorola Con fide ntial ProprietaryPage 7VCO的相位噪聲.： v s的響應,其相位傳遞函數(shù)為：覚（；fo（s）。頻率響應為：當心時,N環(huán)路對第二項中的噪聲呈高通特性，是環(huán)路對H V j =NHo j Hv j用 i； =1 ；當 m ；S 時,抑制，而帶外的噪聲被通過。VCO落在環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲被圖十圖十可見，由于N分頻器的存在，使VCO落在環(huán)路帶內(nèi)的相位噪聲增加了 20 log N， 因此，必須選擇合適的N，這也是采用小數(shù)分頻的原

9、因。3. 2. 2非線性引起的雜散：非線性器件的輸入輸出關系可以表示為：uo tipqUj t a2u2 t a3u3 t ai由非線性器件決定。若輸入兩個頻率為和2的信號，ui t = Asint - Bsin 2t，則輸出為：uo t 二 sincos2 J sin3 J sin 2t - cos2 2t sin3 2t匸 bos 2 - 1 t cos 21 t Lsin -2 t sin 2 2 1 t】sin 2 2 -、t - sin 2 2 r t 】Eos 2 2 - 2 r t cos2 2 r t 】 產(chǎn)生了很多無用的頻率分量，如果這些頻率分量靠近有用信號，將落入信號通帶內(nèi)

10、，難以濾除，成為信號的相位雜散。四手機中的相位誤差分析：4. 1. PLL造成的相位誤差：可以證明，振蕩器的的雙邊相位噪聲譜密度 如圖所示：一般，PLL輸出信號的頻譜如圖十二所示。手機用 110xxx#12xx#40#命令開發(fā) 射，調(diào)整頻譜分析儀的SPAN、VBW和RBW，可以觀測到。低于fa的部分的相位噪聲由1/f噪聲和疊加 噪聲決定，高于fa的部分由疊加噪聲決定（見參 考資料3）。當考慮VCO的壓控電抗元件的作用 時，它將使VCO的噪聲顯著惡化，這種現(xiàn)象發(fā)生 在使用非線性調(diào)諧元件（如變?nèi)荻O管）的 VCO 中。PLL的帶內(nèi)噪聲：當手機PLL帶內(nèi)相位噪聲較大時，均方根值相位誤差（PHR） 較

11、大，在頻譜分析儀上表現(xiàn)為較高的帶內(nèi)相位噪聲功率。因為它是PLL的帶內(nèi)噪聲，發(fā)射功率對它的影響不大。對 Tx，在時域上（用HP8922的PHASE FRQ PHASE ERR功能可以觀測到）表現(xiàn)為在整個時隙內(nèi)的相位波動較大。主要是分頻器、鑒相器（包括充電泵）或濾波網(wǎng)絡的問題引起的。VCO的相位噪聲：手機VCO的相位噪聲較大時，通常峰值相位誤差（PHP）較大。在時域上表現(xiàn)為較 大的瞬時相位波動（通常出現(xiàn)在 VCO起振的開始一段時間內(nèi)），一般與信道有關（與 頻率有關），可以通過對比高低信道的 Phase erroi來判斷。VCO引起的Phase erro侈 為VCO的暫態(tài)特性不好或選頻網(wǎng)絡 Q值低，

12、尤其是變?nèi)荻O管的 Q值低造成的。4. 2放大器造成的相位誤差：當放大器工作在大信號狀態(tài)時將呈現(xiàn)明顯的非線性，產(chǎn)生很強的相位雜散。因此放大器造成的相位誤差應發(fā)生在大功率工作狀態(tài)時。實際上主要發(fā)生發(fā)生在PA級，尤其當PA被激勵進入飽和狀態(tài)時，會造成較大的相位誤差?？梢栽谧畲蠊β薁顟B(tài)使用 310#開發(fā)射，測量PAC的12腳電壓，看PA是否飽和。一般是由于 PA及其匹配網(wǎng) 絡、PAC等相關電路引起的。4. 3電源造成的相位誤差：電源的波動將會對信號產(chǎn)生寄生調(diào)相。考慮電源波動為ut二Acost的單音，則寄生調(diào)相的相位二t i；：t - kpUti=：ot - kpAcos，t，- 是有用信號頻率?？梢娤嘁?隨電源波動幅度A的增加而增加。因此，當電源波動幅度較大時，可能會造成信號 峰值相位誤差過大。相移Jt的變化頻率，隨電源波動頻率的增加而增加。因此，當 電源波動幅度適當，而較高時，可能會造成信號均方根值相位誤差過大，但峰值相 位誤差可能并不大。相位誤差在時域上如圖十三，是在HP8922上看到的波形，過高的尖峰是電源抖動引起的。對 Kramer及相同電路形式的其它手機，主要由 5V電源的紋 波和5V-5V電源變換中產(chǎn)生的開關脈動電壓引起的。PHASE FRQPHASE ERR五.結論：以上對相位誤差及其在手機發(fā)射機中的表現(xiàn)做了簡要介紹，但在接收