关于接收机的相位噪声

关于接收机的相位噪声

(2006-11-23 13:16:55)

□成都华日通讯技术公司杨道田

接收机的相位噪声实际上专指频率合成器的相位噪声，而频率合成器的相位噪声是衡量其短期稳定度的一个技术指标，目前国内外的频率合成器基本采用锁相环（PLL）或多个锁相环的方式。频率合成器的频率稳定度包括长期稳定度和短期稳定度。长期稳定度一般由基准频率源（通常为恒温晶振或温度补偿晶振，或由外部基准频率源）决定，短期频率稳定度由锁相环决定（环路参数、部件如压控振荡器）。相位噪声早期也称为相位抖动，在时域多用阿仑方差表示，在频域多用相位噪声（偏离载波某个频偏处的单位带宽内相位噪声功率相对主载波的功率低多少，通常用dBc/Hz表示，dBc中的c表示相对值）表示。

相位噪声对接收机的主要影响是降低了接收信号的信/噪比，降低解调质量，使误码率增加，特别是某些对相位较为敏感的调制方式如QAM信号。在无线电监测应用方面，主要是影响微弱信号的检测，因此各个系统集成公司以及用户对相位噪声的指标都非常重视。

相位噪声对微弱信号检测影响的大小不仅要看相位噪声的指标，即偏离载波某个频偏处的单位带宽内的噪声功率大小，更要看接收机的频率测量分辩率的精度。接收机的频率分辨率有两种含义，其中之一是接收机的频率调谐分辨率，指的是频率合成器的调谐的最高精度（最小调谐步进），现在接收机大都能够达到1Hz的调谐步进。而此处所说的测量频率分辨率是指接收机通过测量计算能够区分的最小的频率间隔，也就是说能够测量出、区分出的最小频率谱线间隔，接收机把该频率间隔的信号功率作为一根谱线显示出来。影响系统测量的是测量频率分辨率而不是调谐分辨率，而不仅仅是相位噪声的指标。因为只有接收机的测量频率分辨率小于1Hz时相位噪声的指标才有意义，如果接收机的测量频率分辨率大于1Hz，相位噪声的指标无论对接收机还是系统都将没有实际意义。

图1 鉴相法测试相位噪声

严格地说接收机的合成器输出噪声包括幅度噪声和相位噪声，实际上这二部分分噪声是混合在输出载波中的，很难将它们分开，因此称合成器的边带噪声较为确切。边带噪声既包括幅度噪声，也包括相位噪声。正因为如此，对接收机的相位噪声的测试比较困难，必须用专门的测试仪器才能对相位噪声进行测量。图1为一种测试合成器相位噪声的装置。由于鉴相器的输出只与相位有关，所以此法测出的噪声为相位噪声。鉴相法可较好地把幅度噪声与相位噪声分开。

图2 频谱仪法测试相位噪声连接图

图2为一普遍使用的频谱仪法测试相位噪声的连接图。频谱仪法虽然简单，但接收机的频率测量分辨率没有起作用，测量频率分辨率由频谱仪来实施，如果频谱仪的频率分辨率达不到1Hz，则只能通过折算的办法算出相位噪声，不能很好地反映整机真实的相位噪声，同时该测量方法对信号源的频谱纯度要求较高，一般信号源也具有边带噪声，所以此法测出的相位噪声中含有信号源的边带噪声，不完全是接收机本身的相位噪声，另外要求频谱仪的背景噪声、频率分辨率指标要非常好，否则也不能很好地测试出接收机的真实相位噪声。图2的方法虽然较好，但要搭建该测试设备较困难，且对设备中的零部件要求较高，所

以实际中很少采用该法。最好的办法是购买一台专用测试仪器，如Agilent公司生产的用来专门测试相位噪声的仪器。

(a) RBW=1HZ(即相位噪声)

(b)RBW=O.1HZ，边带噪声下降10dB

图1 不同频率分辨率的测量谱线

上面谈到只有测量频率分辨率小于1Hz的接收机相位噪声才有实际意义，这是因为相位噪声对接收机的影响大小不仅取决于相位噪声的指标而且也更取决于接收机的频率测量分辨率，也就是说取决于接收机实际显示出来的谱线，只有测量频率分辨率小于 1Hz，才能显示出1Hz的噪声功率，即相位噪声。如果接收机的测量分辨率大于1Hz,测量出的功率是大于1Hz 带宽的功率，就大于相位噪

声，因此测量分辨率带宽大于1Hz的接收机是永远也达不到生产厂家给出的相位噪声指标的，因此不结合测量频率分辨率单纯谈相位噪声是毫无实际意义的。图3给出了一组在不同测量频率分辨率的情况下的谱线，见图(a)、图(b)、图(c)、图(d)，图中箭头表示一个小信号，如果频率分辨率高,完全可以发现，但分辨率低了，信号就会被边带噪声淹没。其中，RBW为频率分辨率带宽，由（a）、（b）两个图中主载波旁边一些杂散系信号源所致。

(c)RBW=4khz，边带噪声提升37dB

(d)RBW=6KHZ，边带噪声提升38dB

图4 不同分辨率带宽对边带噪声的影响

从图4中可以明显看出，随着测量分辨率带宽的加宽，输出频谱的背景噪声功率的基础愈来愈高。此时如果有一个大约-100 dBm的信号本来可以发现，但由于分辨率太低，小信号就会被淹没。可见如果不结合频率分辨率，只谈相位噪声是没有任何实用价值的。如某一款接收机其相位噪声达到-120 dBc/Hz，这对一部合成器来讲其相位噪声指标是相当不错的,但接收机的频率分辨率如果只达到1 kHz甚至更差，其背景噪声功率要比相位噪声功率的指标高出30 dB;相反，如果接收机的频率分辨率为0.1 Hz，其背景噪声要比相位噪声降低10 dB。可见频率分辨率对相位噪声的影响是非常直接和明显的。

结论:相位噪声只是衡量频率合成器短期稳定度的一项技术指标，该指标是否能够发挥作用，还要看接收机的开发深度，只有测量频率分辨率小于1 Hz

的接收机谈论相位噪声才有实际意义了，如果频率分辨率大于1 Hz，谈论相位噪声就没有任何实际意义了。因此无论是系统集成商还是产品的用户对此必须有个清晰的概念，即:不能只看接收机的相位噪声指标，更要关注其频率分辨率带宽。(中国无线电管理)