2 7 相位噪声 Noise in Oscillators tAV oo cos ideal 43421 2period with function periodic practical t tftAV oo AM PM FM vn AM o mo mo PM mo mo o Total noise power equally split into phase noise power and amplitude noise power 1 Random walk FM random walk of frequency Sfplot goes down as 1 f4 2 Flicker FM flicker of frequency Sfplot goes down as 1 f3 3 White FM white of frequency Sfplot goes down as 1 f2 4 Flicker PM flicker of phase Sfplot goes down as 1 f 5 White PM white of phase Sfplot is flat 1 Random walk FM 1 f4 noise is difficult to measure since it is usually very close to the carrier Random walk FM usually relates to the OSCILLATOR S PHYSICAL ENVIRONMENT If random walk FM is a predominant feature of the spectral density plot then MECHANICAL SHOCK VIBRATION TEMPERATURE or other environmental effects may be causing random shifts in the carrier frequency 2 Flicker FM 1 f3 is a noise whose physical cause is usually not fully understood but may typically be related to the PHYSICAL RESONANCE MECHANISM OF AN ACTIVE OSCILLATOR or the DESIGN OR CHOICE OF PARTS USED FOR THE ELECTRONICS or ENVIRONMENTAL PROPERTIES Flicker FM is common in high quality oscillators but may be masked by white FM 1 f2 or flicker PM 1 f in lower quality oscillators 3 White FM 1 f2 noise is a common type found in PASSIVE RESONATOR FREQUENCY STANDARDS These contain a slave oscillator often quartz which is locked to a resonance feature of another device which behaves much like a high Q filter Cesium and rubidium standards have white FM noise characteristics 4 Flicker PM 1 f noise may relate to a physical resonance mechanism in an oscillator but it usually is added by NOISY ELECTRONICS This type of noise is common even in the highest quality oscillators because in order to bring the signal amplitude up to a usable level amplifiers are used after the signal source Flicker PM noise may be introduced in these stages It may also be introduced in a frequency multiplier Flicker PM can be reduced with good low noise amplifier design e g using rf negative feedback and hand selecting transistors and other electronic components 5 White PM f0 noise is broadband phase noise and has little to do with the resonance mechanism It is probably produced by similar phenomena as flicker PM 1 f noise STAGES OF AMPLIFICATION are usually responsible for white PM noise This noise can be kept at a very low value with good amplifier design hand selected components the addition of narrowband filtering at the output or increasing if feasible the power of the primary frequency source 2 7 1 相位噪声定义 一 基本概念一 基本概念 相位噪声 相噪 噪声 热噪声 闪烁噪声等 引起频 率源输出相位的随机起伏 相位噪声 噪声调相 零均值随机变量 噪声调频 噪声边带 频率的瞬时起伏 短期频率稳定 短稳 结论 相位噪声是噪声对主谱的随机调角 调频 调相 结论 相位噪声是噪声对主谱的随机调角 调频 调相 二 相位噪声的度量二 相位噪声的度量 1 相位噪声的相位起伏谱密度 相位噪声的相位起伏谱密度 简单分析 简单分析 单一频率产生的 噪声调相 ttfVtVtv 000 2coscos t dt d dt d f dt d f 2 1 2 1 0 m fS tft mrms 2sin2 有效值 应理解为统计值 单位B 测试等效带宽 的数学含义 自相关函数的傅立叶变换 成立 2 在 在RF定义的单边带相位噪声功率谱密度定义的单边带相位噪声功率谱密度L fm 没有相噪的理想频谱实际的输出 相噪常用测量方法 定义单位 没有相噪的理想频谱实际的输出 相噪常用测量方法 定义单位 rms B f fS mrms m 2 Hz rad 2 m fS t 0 2 mm dffS m f Hz dBc S mSSB m P ffP fL 0 当时 可证明 3 短稳的阿仑方差 无间歇二采样方差 短稳的阿仑方差 无间歇二采样方差 相位噪声的时域指标相位噪声的时域指标 取样时间 M 测量次数 采用阿仑方差的原因 频率短稳的标准方差对某些相噪因数不收敛 阿仑方差与相位噪声谱密度的关系 阿仑方差与相位噪声谱密度的关系 公式使用上的困难 4 剩余调频 剩余调频 在一定带宽内 噪声调频产生的频偏的统计值在一定带宽内 噪声调频产生的频偏的统计值 rad1 max L m Q f f 2 0 L c Q f f 2 0 c f m f 3 1 m fh S 1 1 m fh 0 0m fh L f 2 0 c f m f 3 1 m fh S 2 0 m fh 0 2m fh L f 2 0 晶振与晶振与LC VCO的差别 加入高的差别 加入高Q谐振器 对振荡器相位噪声的改善 谐振器 对振荡器相位噪声的改善 四 相位噪声对电路系统的影响四 相位噪声对电路系统的影响 1 相位噪声使信号解调后基带信噪比下降 相位噪声使信号解调后基带信噪比下降 2 接收机本振相位噪声可能使信号干扰经 接收机本振相位噪声可能使信号干扰经 倒易混频倒易混频 进入中频通带 进入中频通带 m f m fL Hz dBc N f S f L f I f NL ff SL ff Example Communication Systems Signal of Interest Interference Local Oscillator RF IF RF IF RF Received Signal IF Filter Phase Noise in Communication Systems Signal of Interest Interference Local Oscillator RF IF RF IF RF Received Signal Phase Noise Degraded SNR IF Filter 3 多进制数字调制系统 如多进制数字调制系统 如QAM 对相位噪声提出更高要求 对相位噪声提出更高要求 例 LO相噪引起QAM状态偏移 产生误码 Q I 16 QAM星座图 64 QAM星座图 相噪增加相噪增加 相位噪声直接影响调制质量 如下例 8PSK 相位噪声直接影响调制质量 如下例 8PSK 4 相位噪声直接影响各种体制雷达的指标 相位噪声直接影响各种体制雷达的指标 雷达体制受相位噪声影响的参数雷达体制受相位噪声影响的参数 多普勒测速雷达测速精度 脉冲压缩雷达距离精度 虚假回波 动目标显示雷达改善因子 脉冲多普勒雷达杂散下能见度 合成孔径雷达天线方向图 2 7 2 频率合成器指标频率合成器指标 频率合成频率合成 由一个参考频率参考频率通过电路技术产生一个或多个频率信号的 技术 参考频率源参考频率源 高稳定 高纯频谱基准源基准源 一般是XO TCXO OCXO 一 频率合成器主要指标一 频率合成器主要指标 1 单边带相位噪声 单边带相位噪声 L fm 1 基本概念 基本概念 因噪声对输出频率随机调角造成输出频率的瞬时随机抖动 短期频率稳定度 主谱两 侧产生调角噪声边带 在时域 可用阿仑方差表征这种短期频率稳定度 在频域 可用相位噪声功率谱密度表征瞬时频率稳定度 2 L fm 的定义和单位 的定义和单位 Ps 主谱 f0 功率 Pssb 距主谱fm处1Hz带宽内的单边带调频噪声功率 单位 dBc Hz Hz S mSSB m P ffP fL 0 3 相位噪声的重要性 举例 相位噪声的重要性 举例 载波相位噪声解调后影响基带信噪比 接收机本振相噪因 倒易混频 使干扰进入中频通带 AMTI PD雷达中载波相噪会降低 改善因子 复杂数字调制 如QAM 接收机中 本振相噪下降 误码率增加 2 非谐波杂散 非谐波杂散 1 基本概念 基本概念 除输出频率之外的其它寄生信号 不含噪声 相对于主谱的最大功率 单位 dBc 杂散一般是以寄生调频边带形式产生 见左下图 谐波是信号的波形参数 并非寄生信号 2 产生杂散的原因 产生杂散的原因 PLL频综 鉴相杂散 分数杂散 DDS频综 原因 成分复杂 混频的组合干扰 时钟寄生调频 电源50Hz寄生调频 3 杂散抑制指标的意义及测量 杂散抑制指标的意义及测量 杂散可直接或经过非线性电路进入信道带宽内 频谱仪测杂散应该取平均 3 跳频时间 跳频时间 1 基本概念 基本概念 频综从f1跳至f2 在误差范围内所需时间 数量级 s ms 送数时间应计入跳频时间 2 跳频时间的重要性 跳频时间的重要性 捷变频体。