關(guān)于接收機的相位噪聲

　　接收機的相位噪聲實際上專指頻率合成器的相位噪聲，而頻率合成器的相位噪聲是衡量其短期穩(wěn)定度的一個技術(shù)指標，目前國內(nèi)外的頻率合成器基本采用鎖相環(huán)（PLL）或多個鎖相環(huán)的方式。頻率合成器的頻率穩(wěn)定度包括長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度。長期穩(wěn)定度一般由基準頻率源（通常為恒溫晶振或溫度補償晶振，或由外部基準頻率源）決定，短期頻率穩(wěn)定度由鎖相環(huán)決定（環(huán)路參數(shù)、部件如壓控振蕩器）。相位噪聲早期也稱為相位抖動，在時域多用阿侖方差表示，在頻域多用相位噪聲（偏離載波某個頻偏處的單位帶寬內(nèi)相位噪聲功率相對主載波的功率低多少，通常用dBc/Hz表示，dBc中的c表示相對值）表示。

　　相位噪聲對接收機的主要影響是降低了接收信號的信/噪比，降低解調(diào)質(zhì)量，使誤碼率增加，特別是某些對相位較為敏感的調(diào)制方式如QAM信號。在無線電監(jiān)測應(yīng)用方面，主要是影響微弱信號的檢測，因此各個系統(tǒng)集成公司以及用戶對相位噪聲的指標都非常重視。

　　相位噪聲對微弱信號檢測影響的大小不僅要看相位噪聲的指標，即偏離載波某個頻偏處的單位帶寬內(nèi)的噪聲功率大小，更要看接收機的頻率測量分辯率的精度。接收機的頻率分辨率有兩種含義，其中之一是接收機的頻率調(diào)諧分辨率，指的是頻率合成器的調(diào)諧的最高精度（最小調(diào)諧步進），現(xiàn)在接收機大都能夠達到1Hz的調(diào)諧步進。而此處所說的測量頻率分辨率是指接收機通過測量計算能夠區(qū)分的最小的頻率間隔，也就是說能夠測量出、區(qū)分出的最小頻率譜線間隔，接收機把該頻率間隔的信號功率作為一根譜線顯示出來。影響系統(tǒng)測量的是測量頻率分辨率而不是調(diào)諧分辨率，而不僅僅是相位噪聲的指標。因為只有接收機的測量頻率分辨率小于1Hz時相位噪聲的指標才有意義，如果接收機的測量頻率分辨率大于1Hz，相位噪聲的指標無論對接收機還是系統(tǒng)都將沒有實際意義。


圖1 鑒相法測試相位噪聲

　　嚴格地說接收機的合成器輸出噪聲包括幅度噪聲和相位噪聲，實際上這二部分分噪聲是混合在輸出載波中的，很難將它們分開，因此稱合成器的邊帶噪聲較為確切。邊帶噪聲既包括幅度噪聲，也包括相位噪聲。正因為如此，對接收機的相位噪聲的測試比較困難，必須用專門的測試儀器才能對相位噪聲進行測量。圖1為一種測試合成器相位噪聲的裝置。由于鑒相器的輸出只與相位有關(guān)，所以此法測出的噪聲為相位噪聲。鑒相法可較好地把幅度噪聲與相位噪聲分開。


圖2 頻譜儀法測試相位噪聲連接圖

　　圖2為一普遍使用的頻譜儀法測試相位噪聲的連接圖。頻譜儀法雖然簡單，但接收機的頻率測量分辨率沒有起作用，測量頻率分辨率由頻譜儀來實施，如果頻譜儀的頻率分辨率達不到1Hz，則只能通過折算的辦法算出相位噪聲，不能很好地反映整機真實的相位噪聲，同時該測量方法對信號源的頻譜純度要求較高，一般信號源也具有邊帶噪聲，所以此法測出的相位噪聲中含有信號源的邊帶噪聲，不完全是接收機本身的相位噪聲，另外要求頻譜儀的背景噪聲、頻率分辨率指標要非常好，否則也不能很好地測試出接收機的真實相位噪聲。圖2的方法雖然較好，但要搭建該測試設(shè)備較困難，且對設(shè)備中的零部件要求較高，所以實際中很少采用該法。最好的辦法是購買一臺專用測試儀器，如Agilent公司生產(chǎn)的用來專門測試相位噪聲的儀器。


　　(a) RBW=1HZ(即相位噪聲)


　　(b)RBW=O.1HZ，邊帶噪聲下降10dB

圖３不同頻率分辨率的測量譜線

　　上面談到只有測量頻率分辨率小于1Hz的接收機相位噪聲才有實際意義，這是因為相位噪聲對接收機的影響大小不僅取決于相位噪聲的指標而且也更取決于接收機的頻率測量分辨率，也就是說取決于接收機實際顯示出來的譜線，只有測量頻率分辨率小于1Hz，才能顯示出1Hz的噪聲功率，即相位噪聲。如果接收機的測量分辨率大于1Hz,測量出的功率是大于1Hz 帶寬的功率，就大于相位噪聲，因此測量分辨率帶寬大于1Hz的接收機是永遠也達不到生產(chǎn)廠家給出的相位噪聲指標的，因此不結(jié)合測量頻率分辨率單純談相位噪聲是毫無實際意義的。圖3給出了一組在不同測量頻率分辨率的情況下的譜線，見圖(a)、圖(b)、圖(c)、圖(d)，圖中箭頭表示一個小信號，如果頻率分辨率高,完全可以發(fā)現(xiàn)，但分辨率低了，信號就會被邊帶噪聲淹沒。其中，RBW為頻率分辨率帶寬，由（a）、（b）兩個圖中主載波旁邊一些雜散系信號源所致。


　　(c)RBW=4khz，邊帶噪聲提升37dB


　　(d)RBW=6KHZ，邊帶噪聲提升38dB

圖4 不同分辨率帶寬對邊帶噪聲的影響

　　從圖4中可以明顯看出，隨著測量分辨率帶寬的加寬，輸出頻譜的背景噪聲功率的基礎(chǔ)愈來愈高。此時如果有一個大約-100 dBm的信號本來可以發(fā)現(xiàn)，但由于分辨率太低，小信號就會被淹沒。可見如果不結(jié)合頻率分辨率，只談相位噪聲是沒有任何實用價值的。如某一款接收機其相位噪聲達到-120 dBc/Hz，這對一部合成器來講其相位噪聲指標是相當不錯的,但接收機的頻率分辨率如果只達到1 kHz甚至更差，其背景噪聲功率要比相位噪聲功率的指標高出30 dB;相反，如果接收機的頻率分辨率為0.1 Hz，其背景噪聲要比相位噪聲降低10 dB。可見頻率分辨率對相位噪聲的影響是非常直接和明顯的。

　　結(jié)論:相位噪聲只是衡量頻率合成器短期穩(wěn)定度的一項技術(shù)指標，該指標是否能夠發(fā)揮作用，還要看接收機的開發(fā)深度，只有測量頻率分辨率小于1 Hz的接收機談?wù)撓辔辉肼暡庞袑嶋H意義了，如果頻率分辨率大于1 Hz，談?wù)撓辔辉肼暰蜎]有任何實際意義了。因此無論是系統(tǒng)集成商還是產(chǎn)品的用戶對此必須有個清晰的概念，即:不能只看接收機的相位噪聲指標，更要關(guān)注其頻率分辨率帶寬。