相位噪聲測(cè)量

1、相位噪聲及其測(cè)試技術(shù)羅達(dá)29071050130.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FS怖PPSK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。.相位噪聲的概念及其表征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。相位噪聲的來(lái)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

2、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。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PSS當(dāng)總功率PS之比，即L(fm)=PssSPs=l率密度(一個(gè)相位調(diào)制邊帶1Hz)/總的載波功率L(fm)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/H為了得到L(fm)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)。正弦相位調(diào)制信號(hào)令正弦相位調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)相位為0(t)=8nsin2Ttfnt于是得到相位調(diào)制信號(hào)為V(t)=Voco

3、s(2itfot+9msin2ttfnt)(1)假定0m<<1rad，式(1)可以簡(jiǎn)化成V(t)=Vocos2兀fot+(9M2)Vocos2冗(fo+fm)t=(9m/2)VoC0S2兀(fo-fm)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VSSWS=WJ1(0m)/Vojo(9m)=j1(9n)/Jo(0n)=0m/2如果用功率表示，可得到內(nèi)st/Ps=(o.259m*0m=o.259rm*9rm$,式中的8rm必調(diào)相指數(shù)的有效值。由此可知，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。1.3

4、.2隨機(jī)相位調(diào)制信號(hào)令隨機(jī)相位調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)相位為9(t)=8n(t),此處8n(t)為由噪聲所引起的平穩(wěn)隨機(jī)函數(shù)，由隨機(jī)信號(hào)論，有*T06"三1ill】84Ml二27rsiI】)必Jhi0J0式中，8n*On代表隨機(jī)相位的方均值(即總功率)；sin(fm)代表on(t)的功率分布，即功率譜密度函數(shù)。假定8n(t)<<1，則調(diào)相信號(hào)可表示為：V(t)=Vocos2ttfot-Vo0n(t)sin2冗fot,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Pssb(If-foI)=1

5、4Vo2sin(fm),于是輸出信號(hào)的單邊帶相位噪聲為L(zhǎng)(fm)=o.5sin(fm)，即：&(fm)=2L(fm),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。.相位噪聲的測(cè)試技術(shù)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。鑒頻法鑒頻法也稱單源法。就是將被測(cè)

6、信號(hào)源的頻率起伏Af由某種微波鑒頻器變?yōu)殡妷浩鸱麬V,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T,以便將頻率起伏變?yōu)橄辔黄鸱麬后進(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S(f)和相對(duì)單邊功率譜L(f)。L(f)=(1/2)S(f)=S(f)/f=S(f)/Kf;K=2兀rd式中，S(f)為被測(cè)源信號(hào)頻率起伏Af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)

7、。鑒頻法具有不需要參考頻率源、低的寬頻帶噪聲底部、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。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VCOJPLL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