衛(wèi)星通信系統(tǒng)中相應(yīng)噪聲之理論及測(cè)試

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中相應(yīng)噪聲之理論及測(cè)試（殷琪）
摘要：本文從相位噪聲的定義出發(fā)，主要討論衛(wèi)星通信系統(tǒng)中相位噪聲的來(lái)源，介紹一種
在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用的、簡(jiǎn)便可行的測(cè)試相位噪聲的方法——頻譜分析儀測(cè)試方法。
關(guān)鍵詞：相位噪聲  相位抖動(dòng)方差  頻譜分析儀
    隨著衛(wèi)星通信系統(tǒng)中愈來(lái)愈多地采用PSK（相位鍵控）調(diào)制技術(shù)，系統(tǒng)中產(chǎn)生的相位
噪聲對(duì)線路質(zhì)量的影響日趨顯著，相位噪聲將引起載波相位抖動(dòng)、Eb/No降低，從而產(chǎn)生
碼間干擾，最終導(dǎo)致全鏈路性能惡化。傳統(tǒng)的相位噪聲測(cè)試是比較復(fù)雜的，需要大量的儀
表和一定的測(cè)試環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)操作有一定困難，通常只在工廠進(jìn)行相位噪聲測(cè)試。本文將根
據(jù)相位噪聲的定義，主要討論衛(wèi)星通信系統(tǒng)中相位噪聲的來(lái)源，介紹一種在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用
的、簡(jiǎn)便易行的測(cè)試相位噪聲的方法——頻譜分析儀測(cè)試方法。該方法也可用于數(shù)字微波
通信系統(tǒng)中相位噪聲測(cè)試。
1相位噪聲
    什么是相位噪聲呢？首先讓我們看一個(gè)角頻率為w的純凈載波功率C，在（w＋p）處疊
加一個(gè)1Hz帶寬的單邊帶噪聲后的情況。
    可見(jiàn)一個(gè)角頻率為w的純凈載波在（w＋p）處疊加上一個(gè)1Hz的單邊噪聲，可以近似地
等效為1個(gè)在角頻率為w的調(diào)幅調(diào)相波，該調(diào)幅調(diào)相波可分解成以下邊帶：
    為了區(qū)別噪聲功率密度和“相位噪聲”功率密度，將用符號(hào)Nop表示相位噪聲功率密
度，因?yàn)橹挥幸话朐肼暪β兽D(zhuǎn)換到調(diào)相邊帶中去，所以Nop=No/2
2倍頻振蕩器中的相位噪聲
    在衛(wèi)星通信地球站，變頻器中使用的本振大多數(shù)是倍頻振蕩器，那么倍頻又會(huì)對(duì)相位
噪聲產(chǎn)生怎樣的影響呢？
    經(jīng)理論分析可知，調(diào)幅調(diào)制指數(shù)不因理想借頻而有所變化，因此，調(diào)幅噪聲邊帶也將
不變，調(diào)相信號(hào)經(jīng)倍頻后，除載波頻率變化了n倍外，其調(diào)相指數(shù)也從θ1變?yōu)閚θ1，可見(jiàn)，
倍頻n倍的效果使得相位噪聲邊帶出現(xiàn)了很大的變化，倍頻后的相位噪聲功率密度與載波
功率的比值是倍頻前相位噪聲功率密度與載波功率比值的n2倍。如果n是個(gè)很大的數(shù)，使
得倍額后調(diào)幅噪聲邊帶對(duì)整個(gè)噪聲邊帶的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)，換句話說(shuō)，n信頻后（n＞＞1）
的噪聲邊帶幾乎全部是相位噪聲。
    至此，我們已對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的相位噪聲的產(chǎn)生做了一些分析。為了進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)其
物理意義，現(xiàn)作如下總結(jié)：
    所謂相位噪聲是由一個(gè)純凈載波和噪聲疊加引起的。其中噪聲可以看成是由許多個(gè)功
率密度為八的窄帶噪聲組成的。經(jīng)過(guò)對(duì)窄帶噪聲的分析可知，窄帶噪聲可以近似地等效為
一個(gè)正弦調(diào)幅調(diào)相波且各占一半的噪聲功率密度，即一半的噪聲功率密度轉(zhuǎn)換到調(diào)相邊帶
中成為相位噪聲功率密度，另一半噪聲功率密度轉(zhuǎn)換到調(diào)幅邊帶中去，對(duì)相位噪聲沒(méi)有貢
獻(xiàn)。如果對(duì)疊加了噪聲的純凈載波n倍頻，其結(jié)果是，轉(zhuǎn)換到調(diào)相邊帶的噪聲功率密度將
會(huì)增加n倍，成為相位噪聲，如果n是個(gè)很大的數(shù)字，那么信頻后調(diào)幅邊帶與調(diào)相邊帶相比
可以忽略不計(jì)，因此情額后的噪聲幾乎全部是相位噪聲。
3放大器對(duì)相位噪聲的影響
    系統(tǒng)中串接的放大器又將對(duì)相位噪聲作出怎樣的貢獻(xiàn)呢？
    首先討論一個(gè)線性振蕩器與放大器串接的情況，經(jīng)過(guò)理論分析表明：
    對(duì)于相位噪聲邊帶，當(dāng)偏移頻率較低時(shí)，即靠近載波頻率時(shí)，振蕩器的相位噪聲比放
大器的相位噪聲對(duì)總的相位噪聲貢獻(xiàn)大。
    當(dāng)偏移頻率等于fo時(shí)，（fo為載波頻率，Q為振蕩器Q值），振蕩器和放大器對(duì)總的相
位噪聲貢獻(xiàn)相等，即在串接放大器后總的相位噪聲密度上升了3dB。
    當(dāng)偏移頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于fo／2Q時(shí)，放大器噪聲對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)將起主導(dǎo)作用，且隨偏
移頻率的增加，其總的相位噪聲密度不變，等于放大器噪聲的一半，直到偏移頻率增加到
某一頻率時(shí)，放大器的選擇性開(kāi)始衰減至噪聲邊帶為止。
    對(duì)于俗頻振蕩器與放大器串接的情況，如果放大器放在倍頻放大器之前，那么放大器
噪聲對(duì)相位噪聲將乘以n2；如果放大器放在倍頻放大器之后，那么放大器噪聲對(duì)相位噪聲
貢獻(xiàn)就不會(huì)被放大n2倍。
    由此可見(jiàn)，上行系統(tǒng)的相位噪聲除與調(diào)制器和變頻器本振有關(guān)外，還與高頻率放大器
有關(guān)，尤其在相位噪聲高頻段，上行系統(tǒng)的相位噪聲主要由高功率放大器的噪聲所決定。
下行系統(tǒng)中的相位噪聲主要來(lái)源于變頻器本振，這是因?yàn)榈驮肼暦糯笃鞯脑肼暅囟群艿停?br />換句話說(shuō)，由低噪聲放大器本身產(chǎn)生的噪聲很小，因此，在下行系統(tǒng)中低噪聲放大器對(duì)相
位噪聲的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)，但是，假如在某一下行系統(tǒng)中除低噪聲放大器外，還有線路
放大器，那么此線路放大器對(duì)下行系統(tǒng)的相位噪聲的貢獻(xiàn)則不能忽略。
4在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中利用頻譜分析儀對(duì)相位噪聲的測(cè)試
    前面已經(jīng)討論過(guò)了衛(wèi)星通信系統(tǒng)中相位噪聲的來(lái)源和本質(zhì)。那么對(duì)該相位噪聲將怎樣
進(jìn)行測(cè)試呢？細(xì)分起來(lái)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中要進(jìn)行三方面的相位噪聲測(cè)試：
    （1）變頻器中的相位噪聲測(cè)試；
    （2）上行系統(tǒng)中的相位噪聲測(cè)試；
    （3）下行系統(tǒng)中的相位噪聲測(cè)試。
    這三方面相位噪聲的測(cè)試幾乎都可以用頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試。在被測(cè)系統(tǒng)的輸入端用
振蕩器輸入一個(gè)高純度的“純凈”測(cè)試載波。在輸出端接一個(gè)頻譜分析儀測(cè)量該載波及其
噪聲邊帶。絕大多數(shù)情況下，該載波的噪聲邊帶是相位噪聲邊帶。
    一般說(shuō)來(lái)，從頻譜分析儀上測(cè)到的載波噪聲邊帶包括有調(diào)幅、調(diào)相兩種噪聲。在頻譜
儀上是很難將它們?cè)俜珠_(kāi)的，幸運(yùn)的是被測(cè)系統(tǒng)中的變頻器目前大多采用n信頻振蕩器，
且n是一個(gè)很大的數(shù)字。前面已經(jīng)指出，如果n是個(gè)很大的數(shù)字，倍額后調(diào)根邊帶的功率密
度與載波之比較倍頻前的調(diào)相邊帶功率密度與載波之比提高了n2倍，而調(diào)相邊帶卻沒(méi)有變
化，因此使得倍 頻后的調(diào)幅噪聲邊帶可以忽略不計(jì)。故由頻譜儀測(cè)出的噪聲邊帶幾乎全
部是相位噪聲邊帶。只有在上行系統(tǒng)相位噪聲測(cè)試時(shí)，由于被測(cè)系統(tǒng)中除具有變頻器外，
還有高功率放大器，故在距載波頻率偏移不高時(shí)，由功放輸出的上行載波噪聲邊帶絕大部
分是調(diào)相噪聲邊帶。而在偏移頻率較高時(shí)，相位噪聲主要由高功率放大器噪聲決定，這就
很難從頻譜儀上分出哪些是相位噪聲，哪些是調(diào)幅噪聲，盡管如此，在大多數(shù)情況下，此
時(shí)載波邊帶總的噪聲水平很低，幾乎都能滿足相位噪聲邊帶要求，因此可以用頻譜分析儀
測(cè)量整個(gè)上行系統(tǒng)的相位噪聲。對(duì)于個(gè)別超過(guò)指標(biāo)的情況，可以用專門儀表測(cè)量其相位噪
聲。
    另外，用頻譜分析儀測(cè)量連續(xù)的相位噪聲密度時(shí)，應(yīng)該注意的問(wèn)題是：對(duì)頻譜分析儀
屏幕上顯示的數(shù)值必須加以修正。頻譜儀顯示的噪聲功率密度是在一定的分辨帶寬BR下得
到的，需將其歸一化到1Hz帶寬時(shí)的噪聲功率密度，由于頻譜儀的分辨帶寬是3dB帶寬，它
不同與等效噪聲帶寬，一般可以認(rèn)為二者間的關(guān)系為：噪聲帶寬=1.2×3dB帶寬；另外還
應(yīng)加入2.5 dB的修正值，這是由于頻譜儀使用的對(duì)數(shù)放大器對(duì)噪聲峰值信號(hào)的放大小于對(duì)
低電平的噪聲信號(hào)的放大，以及頻譜儀使用的峰值檢波器峰值檢波與有效值檢波之間的修
正。所以，實(shí)際的相位噪聲密度為：
    相位噪聲密度二頻譜儀顯示的噪聲密度+2.5－10lg1.2×BR，其中BR為頻譜儀的分辨
帶寬（Hz）。
    對(duì)于離散相位噪聲則不需修正。一般對(duì)于連續(xù)相位噪聲的指標(biāo)要求是隨頻率而變化的，
且頻率范圍較寬，如果只用較小的掃描帶寬測(cè)量邊帶相位噪聲，則不能反映出在偏離載波
頻率較高時(shí)的相位噪聲，另一方面如果用較大的掃描帶寬測(cè)量單邊帶相位噪聲，則對(duì)于低
頻段的相位噪聲的分布就看不清楚。因此建議采用不同的掃描寬度如100Hz、1kHz、10 kHz、
100kHz、1MHz，對(duì)相位噪聲進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)選擇頻譜儀的分辨帶寬盡量小一些，最好是
10 Hz，以便能分辨出在低頻段由電源引起的離散相位噪聲。
5小結(jié)
    對(duì)于采用PSK調(diào)制方式的載波來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)中的相位噪聲是不可忽略的，它將對(duì)載波產(chǎn)
生影響，降低Eb／No從，產(chǎn)生碼間干擾，導(dǎo)致誤碼率劣化。為保證系統(tǒng)質(zhì)量性能，對(duì)系統(tǒng)
的相位噪聲必須加以限制，對(duì)于相位噪聲可能超出指標(biāo)要求的情況，必須進(jìn)行測(cè)試。幸運(yùn)
的是絕大多數(shù)系統(tǒng)中都采用了倍頻方式，因此可以用頻譜分析儀測(cè)試法對(duì)相位噪聲進(jìn)行測(cè)
試，只有在個(gè)別情況下，分辨不出來(lái)哪些是調(diào)幅噪聲，哪些是調(diào)相噪聲，才采用其他方法
測(cè)量相位噪聲。



摘自《電信科學(xué)》