本振相位噪声对通信系统影响分析

本振相噪对抑制载波通信系统影响分析

1 前言

抑制载波调制（BPSK 、QPSK 、MSK 等）体制越来越受到重视，与传统的调频体制相比，抑制载波调相系统可更有效地利用发射功率，尤其与伪码扩频技术相结合，更可提高系统的抗干扰能力及隐蔽性，并可实现码分多址。

2 载波恢复环的相位误差

在抑制载波调制通信系统地面检测设备中，最关键的电路之一就是载波恢复环路，它必须在规定的最大时间内，以给定的输入噪声密度对载波之比可靠地截获载波，且后续失锁概率必须非常小。失锁和再捕获所占用的时间将造成数据丢失。例如对于码率为1Mbps 的系统来说，一秒的中断将造成106个比特的丢失，对总误码率影响很大。

可以接受的失锁概率是系统比特率、要求的误码率和再锁定时间的函数。对一个要求误码率为10－5的典型系统而言，可接受的失锁概率为1×10－12。 对一般相位检波器来说，在有关的偏移频段上积分的相位误差达π/2时, 环路将失锁。在失锁概率要求为1×10－12的情况下, 相位误差的长期根均方值σϕ必须不超过0.15rad(8.6︒), σϕ2不超过0.0225rad 2。

影响环路相位误差的因素主要有三个方面:（1）由接收机噪声温度引起的白噪声; （2）发射机及接收机本振的相位噪声, 各个本振的相噪贡献是相加的;

（3）环路中VCO 的相位噪声。

设载波恢复环路输入白噪声功率谱密度为N 0; 输入信号功率为C; 输入信号单边带相位噪声为 ↓i （f ）, 其中包括发射机及接收机所有本振的相位噪声的总和。 当接收机本振比发射机本振相位噪声低20dB 以上时, 可不考虑接收机本振相位噪声的影响; 环路中VCO 的单边带相位噪声为 ↓v （f ）; 环路传递函数为H （j2οƒ）, 根据锁相环理论, 环路剩余相位误差的均方值为: σϕ2=-∞∞⎰ ↓i (f)|1-H(j2πf)|df +-∞∞⎰N0|H(j2f)|df C π+-∞∞⎰ ↓v

(f)|1-H(j2πf)|df (1)

式中 第一项为本振相位噪声造成的环路相位误差, 第二项为接收机白噪声

造成的环路相位误差, 第三项为环路内VCO 相位噪声造成的环路相位误差。 当VCO 相位噪声比发射机本振相位噪声低20dB 以上时, 可不考虑其对环路相位误差的影响。此时(1)式可简化为:

σϕ2=-∞∞⎰ ↓i (f)|1-H(j2πf)|df +-∞∞⎰N |H(j2f)|df 0C π

(2)

3 发送设备本振的相位噪声

发射机本振多采用晶振倍频的方法产生。对工作于力学环境下的发射机其本振相位噪声主要由两部分构成, 一是静态相噪, 主要由晶振电路及倍频链路中有源器件产生; 二是振动相噪, 主要因振动、冲击、离心、声噪等外界环境造成晶体固有频率及振荡回路相位的变化，从而使晶振的输出相位产生抖动。对采用锁相倍频的本振而言, 还包括力学环境对锁相环中VCO 的影响。通常情况下, 晶振的振动相噪要比静态相噪高20～40dB, 所以我们重点分析本振的振动相噪。为了简化分析, 假设本振采用晶振直接倍频方案, 因倍频造成的相位噪声恶化量按理论值考虑（20logN, N 为倍频次数）。

各种力学环境对晶振的影响都可归结为加速度的影响。晶振在加速度的作用下, 其频率相对变化与所受加速度成正比, 用公式表示为:

∆Γf f A 0

=∙ (3)

式中A 为加速度幅值, Γ为晶振在该加速度方向上的加速度灵敏度。

弹上力学环境中, 随机振动由于惯穿于整个飞行过程, 频谱较宽, 因此考虑晶振振动相噪时, 重点分析随机振动对晶振的影响。

随机振动对晶振的影响, 表现为其相噪曲线在振动时与静态相比往上平移。根据参考文献[3], 随机振动产生的晶振附加相位噪声可用下式计算:

↓（f ）=⎡⎣⎢⎤⎦

⎥1022022log ()Γf G f f (4)

式中G(f)为随机振动功率谱密度, 单位为g 2/Hz, f 0为晶振输出频率, f 为偏离载波频率。

完善的电路设计可使倍频链路在振动环境下产生的附加相位噪声减至最小，以至分析时可忽略, 此时式(4)也可用于计算本振输出在振动环境下的附加相位噪声, 只是f 0用本振输出频率值。同时, 根据式(4)对给定的振动环境, 系统对发射机本振的相位噪声要求, 可折算为对参考晶振的加速度灵敏度的要求。

4 抑制载波系统相位噪声指标分配及载波环最佳参数选择

设地面检测设备载波恢复环为一标准高增益二阶环, 其闭环传递函数为:

()()1222222222-=--+=+-+⎧⎨⎪⎪⎪⎩

⎪⎪⎪H j n j n H j n j n n j n ωωωωξωωωωξωωωωξωω (5)

式中ωn 为环路带宽, ξ为阻尼系数。

将(4)、(5)两式代入式(2), 并设G(f)=G 为常数, 则得到

()σπξωωξξϕ2202202

2144=++Γf G N C n n (6)

式(6)中第一项为发射机振动相噪对环路相位误差的贡献, 第二项为接收机白噪声对环路相位误差的贡献。分析式(6)可见, 从降低振动对环路影响方面来讲, 环路参数ξωn 越大越好, 但从提高接收机灵敏度方面来讲, ωn 越小越好。因此根据式(6)我们可以得到以下结论:

（1）对给定的Γ、f 0、G 及N 0/C 可选择最佳环路带宽ωn 使得环路误差σϕ最小;

（2）对系统要求的σϕ, 提高发射机发射功率或降低接收机噪声从而提高C/N 0可适当降低对发射机本振加速度灵敏度Γ的要求。

（3）相反, 对同样的σϕ, 降低发射机晶振加速度灵敏度Γ, 可对发射机的功率指标降低要求。

在系统设计时, 以上因素必须综合考虑, 合理分配系统指标及选择环路参数, 对某一单项指标的过高要求都会给系统的工程实施带来困难。

5 结束语

通过文中分析计算可见, 在载波抑制通信系统设计过程中, 必须考虑发射机所处的力学环境对系统的影响, 合理地进行指标分配及对电路进行优化设计。文中的分析及计算作了许多近似及假设, 仅考虑了相位噪声对载波环路的影响。 本文主要目的在于提出一种分析动态相噪的方法与大家共同探讨, 文中难免有疏漏之处, 恳请广大同行提出宝贵意见。

参考文献:

[1] 阿兰·布兰查德 著, 田永正, 董献忱 译, 锁相环及其在相干接收机中的应用, 人民邮电出版社, 1980年。

[2] W.P.罗宾斯 著, 秦士, 姜遵富 译, 相位噪声, 人民邮电出版社, 1988年