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解析信号源中的相位噪声指标

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作者: 坤恒顺维     日期: 2023-05-19 21:20:15



相位噪声指标的含义


相位噪声是振荡器在短时间内频率稳定度的度量参数。理想正弦波信号可以表示如下:

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真实情况下,幅度、频率、相位都可能存在噪声。数学上,频率的噪声和相位的噪声可以合并为一项,统一由相位的噪声表示。有噪声的正弦波信号可以表示如下:

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幅度噪声和相位噪声都会引起信号频谱的展宽。


相位噪声的频谱定义


对相位噪声的描述一般不采用时域的方式描述,而采用频域的方式描述,这样可以描述偏离载波不同频偏处的相位噪声。

传统的相位噪声是如下定义的:以载波的幅度为参考,在偏移一定的频率下的单边带相对噪声功率。这个数值是指在1Hz的带宽下的相对噪声电平,其单位为dBc/Hz。我们可以称之为相位噪声的频谱定义。


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图1 相位噪声的频谱定义示意图


这种相位噪声的定义可以方便的使用频谱仪测试,因而也是最广为人知的相位噪声定义。在1988年版本的“IEEE基本频率和时间计量物理量的标准定义”(IEEE standard 1139-1988)也是采用的此定义。

但是相位噪声的频谱定义却有不少局限性:

1. 无法区分调幅噪声和相位噪声,因为调幅噪声和相位噪声都会引起信号频谱的展宽。

2. 是基于测量方式的定义,没有明确的物理与数学含义,频域相位噪声结果与时域的相位波动之间没有明确的数学公式。


相位噪声的相位定义


在1999年版本的“IEEE基本频率和时间计量物理量的标准定义”(IEEE standard 1139-1999)中,将相位噪声的定义修改为:单边带相位噪声定义为时域相位波动单边带功率谱密度的一半,将线性值转换为对数值后单位为dBc/Hz。我们可以称之为相位噪声的相位定义。

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这个定义回归了相位波动这个物理量,采用了频域表述,而1/2的系数则是为了和以前的定义的结果保持一致。相位噪声的相位定义有以下优点:

1. 可以区分调幅噪声和相位噪声。

2. 具有明确的物理与数学含义。

3. 为鉴相器法、数字IQ解调法等一些全新的相位噪声测量方法提供了依据。这些新的测量方法可以实现比频谱仪测量方法更高的测量精度。


相位噪声的工程测量


电子工程师在测量相位噪声时,可能会使用不同的仪表来进行测量。当使用频谱仪测试时,是依据相位噪声的频谱定义;当使用更专业的相位噪声分析仪(或称为信号源分析仪)测试时,则是依据相位噪声的相位定义。那么两种定义下测量出的相位噪声是否有差异,就是电子工程师应该关心的问题。

我们可以考虑一种最简单的情况,只考虑相位波动的一个频率分量,设

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这时信号可表示为:

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当相位噪声的频谱分量较小时,根据和的一阶小量近似,可得:

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可见,在相位噪声的频谱分量较小时,偏离载波f的功率谱密度与载波功率之比为2023-05-10_151109.jpg。按照频谱定义和相位定义的测量结果近似相等。

因此,在相位噪声较小时,两种定义得到的测量结果是一致的。而一般工程上需要测量相位噪声的情况都是相位噪声比较小的情况,因此无需担心两种定义的测量差异。按照工程经验,在相位噪声小于-80dBc/Hz时,两种定义之间的测量差异可以忽略。




相对噪声指标的重要性和应用


相位噪声是信号源的重要技术指标,在很多应用中都有重要的作用。

在通信系统中,相位噪声会影响矢量调制信号的矢量调制误差(EVM)并恶化误码率。例如,在16QAM调制中,理想情况下EVM接近0%,星座图上的星座点的位置很集中。但当相位噪声增加时,EVM也会随着相位噪声的增加而变大,星座图上的星座点开始发散和偏离理想位置。


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图2 相位噪声对EVM的影响

在雷达系统中,相位噪声会影响雷达相参处理增益和杂波抑制能力。相位噪声在本振对回波信号进行相关解调时产生的杂波信号分量很大,从而会降低雷达从杂波信号检测出目标信号的能力。例如,在工作频率为10GHz的多普勒雷达系统中,运动速度为4 km/h 的目标产生的多普勒频移为74Hz,如果回波信号很弱,本振相位噪声比较大时,雷达系统测无法检测到目标信号。

在包含混频电路的发射机和接收机中,本振的相位噪声都会通过混频电路而叠加到信号中,从而改变信号的相位噪声。在包含ADC和DAC的电路中,时钟的相位噪声都会通过采样过程而叠加到模拟或数字信号中,从而改变模拟或数字信号的相位噪声。

在高速数字电路中,相位噪声也非常重要,相位噪声引起的抖动也会影响数字电路的最高工作频率。


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图3 相位噪声(抖动)引起眼图的恶化




VSG02的相位噪声指标


坤恒顺维VSG02矢量信号发生器(信号源)具有可以满足各种需要超低相位噪声的应用。

VSG02在标配时,相位噪声<-140dBc/Hz(载波1GHz,偏离20kHz)。

VSG02配置超低相位噪声选件时,实测单边带相位噪声为:

载波1GHz时, 

偏离100Hz,-115dBc/Hz 

偏离1kHz,-139dBc/Hz 

偏离10kHz,-146dBc/Hz 

偏离100kHz,-147dBc/Hz 

偏离1MHz,-146dBc/Hz


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图4 VSG02超低相位噪声选件测试结果(1GHz)


载波10GHz时, 

偏离100Hz,-93dBc/Hz 

偏离1kHz,-122dBc/Hz 

偏离10kHz,-129dBc/Hz 

偏离100kHz,-131dBc/Hz 

偏离1MHz,-130dBc/Hz


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图5 VSG02超低相位噪声选件测试结果(10GHz)




VSG02的相位噪声模拟功能


VSG02矢量信号发生器(信号源)还具有相位噪声模拟功能,可以模拟自定义的相位噪声幅度,可用于分析不同幅度的相位噪声对应用的影响。

通过输入希望模拟的自定义相位噪声在1kHz、10kHz、100kHz、1MHz等频偏的数值,VSG02可以通过数字方式模拟出相应的相位噪声幅度,可用于测量在特定相位噪声电平下的系统性能。


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图6 VSG02的自定义相位噪声模拟功能




总结


相位噪声是信号源的重要技术指标,在很多应用中都有重要的作用。坤恒顺维VSG02具有业界优异的相位噪声水平,可以满足各种需要超低相位噪声的应用。另外,VSG02还具有相位噪声模拟功能,可以模拟自定义的相位噪声幅度,可用于分析不同幅度的相位噪声对应用的影响。


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