關(guān)于接收機(jī)的相位噪聲

　　接收機(jī)的相位噪聲實(shí)際上專(zhuān)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(gè)技術(shù)指標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)外的頻率合成器基本采用鎖相環(huán)（PLL）或多個(gè)鎖相環(huán)的方式。頻率合成器的頻率穩(wěn)定度包括長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度。長(zhǎng)期穩(wěn)定度一般由基準(zhǔn)頻率源（通常為恒溫晶振或溫度補(bǔ)償晶振，或由外部基準(zhǔn)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(chēng)為相位抖動(dòng)，在時(shí)域多用阿侖方差表示，在頻域多用相位噪聲（偏離載波某個(gè)頻偏處的單位帶寬內(nèi)相位噪聲功率相對(duì)主載波的功率低多少，通常用dBc/Hz表示，dBc中的c表示相對(duì)值）表示。

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

　　相位噪聲對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)影響的大小不僅要看相位噪聲的指標(biāo)，即偏離載波某個(gè)頻偏處的單位帶寬內(nèi)的噪聲功率大小，更要看接收機(jī)的頻率測(cè)量分辯率的精度。接收機(jī)的頻率分辨率有兩種含義，其中之一是接收機(jī)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(jìn)），現(xiàn)在接收機(jī)大都能夠達(dá)到1Hz的調(diào)諧步進(jìn)。而此處所說(shuō)的測(cè)量頻率分辨率是指接收機(jī)通過(guò)測(cè)量計(jì)算能夠區(qū)分的最小的頻率間隔，也就是說(shuō)能夠測(cè)量出、區(qū)分出的最小頻率譜線間隔，接收機(jī)把該頻率間隔的信號(hào)功率作為一根譜線顯示出來(lái)。影響系統(tǒng)測(cè)量的是測(cè)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(biāo)。因?yàn)橹挥薪邮諜C(jī)的測(cè)量頻率分辨率小于1Hz時(shí)相位噪聲的指標(biāo)才有意義，如果接收機(jī)的測(cè)量頻率分辨率大于1Hz，相位噪聲的指標(biāo)無(wú)論對(duì)接收機(jī)還是系統(tǒng)都將沒(méi)有實(shí)際意義。


圖1 鑒相法測(cè)試相位噪聲

　　嚴(yán)格地說(shuō)接收機(jī)的合成器輸出噪聲包括幅度噪聲和相位噪聲，實(shí)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(kāi)，因此稱(chēng)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?yàn)槿绱耍瑢?duì)接收機(jī)的相位噪聲的測(cè)試比較困難，必須用專(zhuān)門(mén)的測(cè)試儀器才能對(duì)相位噪聲進(jìn)行測(cè)量。圖1為一種測(cè)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(cè)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(kāi)。


圖2 頻譜儀法測(cè)試相位噪聲連接圖

　　圖2為一普遍使用的頻譜儀法測(cè)試相位噪聲的連接圖。頻譜儀法雖然簡(jiǎn)單，但接收機(jī)的頻率測(cè)量分辨率沒(méi)有起作用，測(cè)量頻率分辨率由頻譜儀來(lái)實(shí)施，如果頻譜儀的頻率分辨率達(dá)不到1Hz，則只能通過(guò)折算的辦法算出相位噪聲，不能很好地反映整機(jī)真實(shí)的相位噪聲，同時(shí)該測(cè)量方法對(duì)信號(hào)源的頻譜純度要求較高，一般信號(hào)源也具有邊帶噪聲，所以此法測(cè)出的相位噪聲中含有信號(hào)源的邊帶噪聲，不完全是接收機(jī)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(biāo)要非常好，否則也不能很好地測(cè)試出接收機(jī)的真實(shí)相位噪聲。圖2的方法雖然較好，但要搭建該測(cè)試設(shè)備較困難，且對(duì)設(shè)備中的零部件要求較高，所以實(shí)際中很少采用該法。最好的辦法是購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)專(zhuān)用測(cè)試儀器，如Agilent公司生產(chǎn)的用來(lái)專(zhuān)門(mén)測(cè)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(cè)量譜線

　　上面談到只有測(cè)量頻率分辨率小于1Hz的接收機(jī)相位噪聲才有實(shí)際意義，這是因?yàn)橄辔辉肼晫?duì)接收機(jī)的影響大小不僅取決于相位噪聲的指標(biāo)而且也更取決于接收機(jī)的頻率測(cè)量分辨率，也就是說(shuō)取決于接收機(jī)實(shí)際顯示出來(lái)的譜線，只有測(cè)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(jī)的測(cè)量分辨率大于1Hz,測(cè)量出的功率是大于1Hz 帶寬的功率，就大于相位噪聲，因此測(cè)量分辨率帶寬大于1Hz的接收機(jī)是永遠(yuǎn)也達(dá)不到生產(chǎn)廠家給出的相位噪聲指標(biāo)的，因此不結(jié)合測(cè)量頻率分辨率單純談相位噪聲是毫無(wú)實(shí)際意義的。圖3給出了一組在不同測(cè)量頻率分辨率的情況下的譜線，見(jiàn)圖(a)、圖(b)、圖(c)、圖(d)，圖中箭頭表示一個(gè)小信號(hào)，如果頻率分辨率高,完全可以發(fā)現(xiàn)，但分辨率低了，信號(hào)就會(huì)被邊帶噪聲淹沒(méi)。其中，RBW為頻率分辨率帶寬，由（a）、（b）兩個(gè)圖中主載波旁邊一些雜散系信號(hào)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(duì)邊帶噪聲的影響

　　從圖4中可以明顯看出，隨著測(cè)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(lái)愈高。此時(shí)如果有一個(gè)大約-100 dBm的信號(hào)本來(lái)可以發(fā)現(xiàn)，但由于分辨率太低，小信號(hào)就會(huì)被淹沒(méi)。可見(jiàn)如果不結(jié)合頻率分辨率，只談相位噪聲是沒(méi)有任何實(shí)用價(jià)值的。如某一款接收機(jī)其相位噪聲達(dá)到-120 dBc/Hz，這對(duì)一部合成器來(lái)講其相位噪聲指標(biāo)是相當(dāng)不錯(cuò)的,但接收機(jī)的頻率分辨率如果只達(dá)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(biāo)高出30 dB;相反，如果接收機(jī)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�？梢�(jiàn)頻率分辨率對(duì)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，該指標(biāo)是否能夠發(fā)揮作用，還要看接收機(jī)的開(kāi)發(fā)深度，只有測(cè)量頻率分辨率小于1 Hz的接收機(jī)談?wù)撓辔辉肼暡庞袑?shí)際意義了，如果頻率分辨率大于1 Hz，談?wù)撓辔辉肼暰蜎](méi)有任何實(shí)際意義了。因此無(wú)論是系統(tǒng)集成商還是產(chǎn)品的用戶對(duì)此必須有個(gè)清晰的概念，即:不能只看接收機(jī)的相位噪聲指標(biāo)，更要關(guān)注其頻率分辨率帶寬。