相位噪声及其测试技术

1、科技信息2009年第7期 SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 科0.引言调相系统的最终信噪比,会恶化某些调幅检波器的性能,限制FSK 和PSK 的最小误码率,影响频分多址接收系统的最大噪声功率。对相位噪声进行表征、测试以及如何减小相位噪声是电子系统中一个回避不了的问题。本文较详细的阐述了相位噪声的概念及其测试。1.相位噪声的概念及其表征1.1相位噪声的概念相位噪声是指信号源中,输出频率的短期稳定性指标。由于相位噪声的存在,引起载波频谱的扩展。在实际应用,所有信号源的输出都存在着幅度、频率或相位的起伏,这些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪声。1.2相位噪声的来

2、源信号源中的杂散分量一般是由电源纹波、机械振动或系统内部鉴相信号的泄漏或其它电路的信号窜扰,具有一定的规律性。另外一种呈随机分布的相位噪声通常是由振荡器本身内各器件所产生的各种随机噪声引起的。1.3单边带相位噪声的定义信号源中,由于相位噪声的存在,在频域中,输出信号的谱线相位调制边带的功率P SSB 与总功率P S 之比,即L(f m =P SSB P S=功率密度(一个相位调制边带1Hz 总的载波功率L(f m 通常用相对于载波1Hz 带宽的对数来表示,单位为dBc/Hz 。为了得到L(f m 与随机的或正弦相位调制的一般关系,首先研究正弦相位调制信号,然后再研究随机相位调制信号。令正弦相位

3、调制信号的瞬时相位为(t=m sin2f m t于是得到相位调制信号为v(t=V 0cos(2f 0t+m sin2f m t (1假定m <<1rad ,式(1可以简化成V(t=V 0cos2f 0t+m 2V 0cos2(f 0+f m t-m 2V 0cos2(f 0-f m t上式中,第一项为载波信号,后两项为噪声边带分量,称为相位噪声。这样,一个噪声边带信号的幅度与载波信号幅度之比为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 为调相指数的有效值。由此

4、可知,正弦相位调制信号的单边带相位噪声为调相指数有效值平方的一半。T T乙n 2(t dt =2乙sin (f m df m ,式中,n 2代表随机相位的方均值(即总功率;Sin(f m 代表n (t的功率分布,即功率谱密度函数。假定n (t<<1,则调相信号可表示为:V(tV 0cos2f 0t -V 0n (t sin2f 0t ,上式中的第一项为有用信号,第二项仍为一个随机函数,可以用功率谱密度函数来表示。于是,由随机信号的调制理论有,调相信号的单边带噪声功率谱密度为P SSB (|f-f 0|=1V 02sin (f m ,于是输出信号的单边带相位噪声为L(f m =P S

5、SB P S1Hz=12sin (f m ,即:S n (f m =2L(f m ,由此可知,随机相位调制信号的单边带相位噪声为随机相位噪声功率谱密度的一半。2.相位噪声的测试技术2.1直接频谱仪法将未调制的高频或者微波载频信号直接加到适合的频谱仪上,从该信号的频谱,便可观测出该被测信号的噪声。直接频谱仪法,它可以直接显示单边带相位噪声L(f,精确地显示两边带上的离散信号。该方法适宜测量漂移较小但相位噪声相对较高的信号源。其缺点是受频谱仪的动态范围和最小分辨带宽的限制,不能测量频谱纯净的源;不能分辨调幅噪声及调幅噪声严重的源。2.2鉴频法鉴频法也称单源法。就是将被测信号源的频率起伏f 由某种微

6、波鉴频器变为电压起伏V ,用基带频谱仪进行测量,直接得出S(f,进而也可求出S(f或者L(f。图1鉴相法相位噪声测试系统框图系统工作原理:将被测源信号经功分器分两路,一路经宽带延迟线时延,以便将频率起伏变为相位起伏后进入鉴相器,另一路信号经宽带可变移相器相移后进入鉴相器进行正交鉴相,由鉴相器将相位噪声转换为电压噪声,经信号处理后,测得被测信号的相位噪声功率谱S(f和相对单边功率谱L(f。L(f=(1/2S(f=S(f/f=S(f/Kf ;K=2d 式中,S(f为被测源信号频率起伏f 功率谱,S(f为鉴相器输出电压功率谱,K 为鉴频系数,d 为鉴相器系数。鉴频法具有不需要参考频率源、低的宽频带噪

7、声底部、抑制调幅、结构简单等特点。缺点是该方案只适宜于测量频率随机漂移较大振荡器。2.3鉴相法鉴相法是将被测信号与一同频高稳定的参考源进行正交鉴相。图2鉴相法相位噪声测试系统框图在此方案中,采用外差方式将被测源信号降至中频,在中频用晶体滤波器和含VCO 的PLL 提纯,以获取被测信号的连续载波信号,该信号经相移后与被测信号鉴相器中正交鉴相,提取被测信号的相位噪声。鉴相器将被测信号的相位噪声转换为电压噪声。经信号处理后,测得S(f或L(f。该方案的优点是采用外差方案,被测信号频率范围宽,系统灵敏度较高。缺点是载波提纯,移相器的研制较困难,而且相移器、晶体滤波器特性,鉴相增益等受温度和噪声大小等诸多因素的影响而变化,不易实现自动化测试。3.结束语相位噪声是许多现代电子系统和设备的一项重要技术指标和关键性技术问题,通过相位噪声的表征和测试的研究,找到影响频率源稳定性的因素,可应用于测控系统,衡量其频率源的质量。【参考文献】1郭衍莹,现代电子设备的频率稳定度,宇航出版社,1989.2罗宾斯(Robins,W.P.,相位噪声,人民邮电出版社,1988.3张海明,频率源相位噪声特性分析,无线电通信技术,1999年第25卷第一期.责任编辑:翟成梁相位噪声