1概述

定義

相位噪聲和抖動是對同一種現(xiàn)象的兩種不同的定量方式。在理想情況下，一個頻率固定的完美的脈沖信號(以1 MHz為例)的持續(xù)時間應該恰好是1微秒，每500ns有一個跳變沿。但不幸的是，這種信號并不存在。實際信號的信號周期的長度總會有一定變化，從而導致下一個沿的到來時間不確定。這種不確定就是相位噪聲，或者說抖動。

頻域概念

相位噪聲是對信號時序變化的另一種測量方式，其結(jié)果在頻率域內(nèi)顯示。用一個振蕩器信號來解釋相位噪聲。如果沒有相位噪聲，那么振蕩器的整個功率都應集中在頻率f=fo處。但相位噪聲的出現(xiàn)將振蕩器的一部分功率擴展到相鄰的頻率中去，產(chǎn)生了邊帶(sideband)。從圖2中可以看出，在離中心頻率一定合理距離的偏移頻率處，邊帶功率滾降到1/fm，fm是該頻率偏離中心頻率的差值。

相位噪聲通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。一個振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號功率與信號的總功率比值。[!--empirenews.page--]

2 相位噪聲表征

一個理想的正弦波信號可用下式表示：

V(t)=A0sin2πf0t (1)

式中,V(t)為信號瞬時幅度,A0為標稱值幅度,f0為標稱值頻率。此時信號的頻譜為一線譜。但是由于任何一個信號源都存在著各種不同的噪聲,每種噪聲分量各不相同,使得實際的輸出成為：

V(t)=[A0+ε(t)]sin[2πf0t+j(t)] (2)

在研究相位噪聲的測量時,由于考慮振蕩器的幅度噪聲調(diào)制功率遠小于相位噪聲調(diào)制功率,所以 ε(t) <

V(t)=A0sin[2πf0t+j(t)] (3)

對j(t)的測量,可以用各種類型的譜密度來表示。顯然此時的相位起伏為Δj(t)=j(t),頻率起伏為Δf(t)=[dj(t)/dt]/2π。常用的相對頻率起伏：

y(t)=[dj(t)/dt]/2πf0 (4)

由于相位噪聲j(t)的存在,使頻率源的頻率不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定度常用時域阿侖方差σ2y(2,τ,τ)及頻域相對單邊帶功率譜(簡稱功率譜)Lp(f)或相噪功率譜Sj(f)來表征。它們的定義為：

σ2y(z)=σ2(2,τ,τ)=(1/v20)(1/2)(y1-y2)2 (5)

式中y1,y2為測量采樣時間τ的相鄰二次測量測得的頻率平均值。

Lp(f)=[PSSB(f)/P0](dBc/Hz) (6)

其中PSSB(f)為一個相位噪聲調(diào)制邊帶在頻率為f處的功率譜密度,P0為載波功率。

由(3)及(4)式得相位起伏的自相關函數(shù)Rj(τ)=[j(τ),j(t+τ)]和相對頻率起伏的自相關函數(shù)Ry(τ)=[y(τ), y(t+τ)],由維納-欽辛定理可知自相關函數(shù)和功率譜密度間存在如下關系

表示傅里葉變換對。通常j(t)<<1,近似有

Lp(f)=(1/2)Sj(f)[1](7)

3相位噪聲產(chǎn)生原因

1，相位調(diào)制的方法：PSK，DPSK，DQPSK產(chǎn)生

2，相位噪聲的起因：放大器噪聲和非線性克爾效應，也即自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(XPM)和四波混頻，但一般在分析的時候只考慮到SPM引起的相移效應。

3，相位噪聲的統(tǒng)計特性;這是研究這方面的重點和難點，和其他的隨機過程一樣，非線性相位噪聲和光強度也服從一定的聯(lián)合概率分布。按照K.P.Ho的paper一般用特征函數(shù)來求其聯(lián)合概率分布。其結(jié)論是，同激光的相位統(tǒng)計噪聲不同，相位調(diào)制的相位噪聲服從菲中心卡方分布和高斯隨機分布的卷積(見Stastics of Noline phase Noise) 。

4,非線性相位噪聲的補償：線性和非線性，使用的是MMSE和MAP準則，同一般通信原理中的最小誤碼概率方法的一樣。但其實現(xiàn)較困難的。[!--empirenews.page--]

5，以上考慮基本上沒有考慮色散和PMD和DWDM中的效應，因此，在實際計算是應該考慮更多，但基本思想還是一樣，就是利用概率來使信號的BER最小。

5 相位噪聲的影響

接收機

電子技術的發(fā)展，使器件的噪聲系數(shù)越來越低，放大器的動態(tài)范圍也越來越大，增益也大有提高，使得電路系統(tǒng)的靈敏度和選擇性及線性度等主要技術指標都得到較好的解決。隨著技術不斷提高，對電路系統(tǒng)又提出了更高的要求，這就要求電路系統(tǒng)必須低相位噪聲，在現(xiàn)代技術中，相位噪聲已成為限制電路系統(tǒng)的主要因素。低相噪對提高電路系統(tǒng)性能起到重要作用。

在現(xiàn)代接收機中，各種高性能，例如大動態(tài)、高選擇性、寬頻帶捷變等都受相位噪聲限制。尤其在電磁環(huán)境越來越惡劣的情況下，接收機經(jīng)過混頻從強干擾信號中提取弱小有用信號是非常重要的。如果在弱小信號鄰近處存在強干擾信號，這兩種信號經(jīng)過接收機混頻器，就會產(chǎn)生所謂倒易混頻現(xiàn)象。

看出本振相噪差時，混頻后中頻信號被混頻后的干擾信號所淹沒，如果本振相噪好則信號就能顯露出來，只需有一個好的窄帶濾波器既可有效的濾出信號。如果本振相噪差，即使中頻濾波器能夠濾除強干擾中頻信號，強干擾中頻信號的噪聲邊帶仍然淹沒了有用信號，使接收機無法接收到弱小信號，尤其對大動態(tài)、高選擇性的接收機，這種現(xiàn)象很明顯。因此要求接收機具有良好的選擇性和大動態(tài)，則接收機本振信號的相噪必須好。[!--empirenews.page--]

通訊系統(tǒng)

相位噪聲好壞對通訊系統(tǒng)有很大影響，尤其現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中狀態(tài)很多，頻道又很密集，并且不斷的變換，所以對相噪的要求也愈來愈高。如果本振信號的相噪較差，會增加通信中的誤碼率，影響載頻跟蹤精度。

相噪不好不僅增加誤碼率和影響載頻跟蹤精度，還影響通信接收機信道內(nèi)、外性能測量，相噪對鄰近頻道選擇性的影響。要求接收機選擇性越高，則相噪就必須更好，要求接收機靈敏度越高，相噪也必須更好。

多普勒雷達系統(tǒng)

當目標超低空飛行時，雷達面臨著很強的地面雜波，要想從強地雜波中提取信號目標，雷達必須有很高的改善因子。因為這些雜波進入接收機，經(jīng)混頻后，很難把有用信號與強地物反射波分離開，尤其對低速度運動目標，并接近地面時，發(fā)現(xiàn)目標就變得非常困難，這時只有提高雷達改善因子。

為了提高低空檢測能力，提高對低空突防目標的發(fā)現(xiàn)能力，頻率源的低相噪非常重要，雷達能從強雜波環(huán)境中區(qū)分出運動目標，則要求雷達必須全相參產(chǎn)生出極低相噪的發(fā)射信號和接收機本振信號及各種相參基準信號，如果改善因子要求大于50dB，頻率源的時域ms頻率穩(wěn)定度應優(yōu)于10-10量級，相噪在S波段偏1KHz應優(yōu)于-105dBc/Hz，100KHz優(yōu)于-125dBc/Hz。[!--empirenews.page--]

另外雷達往往工作在脈沖狀態(tài)，尤其低重復周期雷達，調(diào)制后的雷達載頻頻譜為辛格譜，每一根辛格譜遠端相噪將迭加給其他辛格譜，使兩根相鄰辛格譜之間的相噪大大惡化。在頻率源“遠端”相噪不夠低的情況下，這種惡化是很明顯的。從這一點看，雷達頻率源不能只要求偏離1KHz相噪，同時對偏離10KHz、100KHz及1MHz都應該有一適當要求，一般應按冪律譜下降，這樣才能保證脈沖調(diào)制后的發(fā)射頻譜合格，取得好的改善因子。