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1、相位噪声及其测试技术罗达 29071050130.引言调相系统的最终信噪比，会恶化某些调幅检波器的性能，限制FSK和PSK的 最小误码率，影响频分多址接收系统的最大噪声功率。对相位噪声进行表征、测 试以及如何减小相位噪声是电子系统中一个回避不了的问题。本文较详细的阐述 了相位噪声的概念及其测试。1.相位噪声的概念及其表征1.1相位噪声的概念相位噪声是指信号源中，输出频率的短期稳定性指标。由于相位噪声的存在， 引起载波频谱的扩展。在实际应用，所有信号源的输出都存在着幅度、频率或相 位的起伏，这些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪声。1.2相位噪声的来源信号源中的杂散分量一般是由电源纹波、机械振动或
2、系统内部鉴相信号的泄 漏或其它电路的信号窜扰，具有一定的规律性。另外一种呈随机分布的相位噪声 通常是由振荡器本身内各器件所产生的各种随机噪声引起的。1.3单边带相位噪声的定义信号源中，由于相位噪声的存在，在频域中，输出信号的谱线相位调制边带 的功率PSSB与总功率PS之比，即L(fm)= PSSB/PS=功率密度(一个相位调制边带1Hz )/总的载波功率L(fm)通常用相对于载波1Hz带宽的对数来表示，单位为dBc/H为了得到L(fm )与随机的或正弦相位调制的一般关系，首先研究正弦相位调制 信号，然后再研究随机相位调制信号。1.3.1正弦相位调制信号令正弦相位调制信号的瞬时相位为0(t)=。
3、msin2n fmt于是得到相位调制信号为V(t)=V0cos(2 n f0t+ 0 msin2 n fmt)(1)假定 0 m1rad，式(1)可以简化成 V(t)=V0cos2 n fot+(0 m/2)V0cos2 n (fo+fm)t=(0m/2)VoCOS2n(fo-fm)t上式中，第一项为载波信号，后两项为噪声边带分量，称为相位噪声。这样， 一个噪声边带信号的幅度与载波信号幅度之比为VSSB/VS=VJ1 ( 0 m)/V0J0 (0m)=J1( m)/J0(0m)=0 m/2如果用功率表示，可得到PSSB/PS=(0.25 0 m*0m=0.25 0 RMS*0RMS)，式中的
4、0棚为调相指数的有效值。由此可知，正弦相位调制信号的单边带相位噪声为调 相指数有效值平方的一半。1.3.2随机相位调制信号令随机相位调制信号的瞬时相位为0 (t)= 0 n(t)，此处0 n(t)为由噪声所引 起的平稳随机函数，由随机信号论，有.T、拍归二 lirn0,-(1 )(l tlrrin (点眼九丁. u y o式中，0n *0n代表随机相位的方均值(即总功率)；sin(fm)代表0 n(t)的功率 分布，即功率谱密度函数。假定0 n(t)1，则调相信号可表示为：V(t)V0cos2 nf0t-V00n(t)sin2nf0t，上式中的第一项为有用信号，第二项仍为一个随机函 数，可以用
5、功率谱密度函数来表示。于是，由随机信号的调制理论有，调相信号 的单边带噪声功率谱密度为PSSB (I f-f0 I) = 14 V02sin (fm)，于是输出信号 的单边带相位噪声为L(fm)= =0.5sin (fm)，即:Sn(fm)=2L(fm)，由此可知，随 机相位调制信号的单边带相位噪声为随机相位噪声功率谱密度的一半。2.相位噪声的测试技术2.1直接频谱仪法将未调制的高频或者微波载频信号直接加到适合的频谱仪上，从该信号的频 谱，便可观测出该被测信号的噪声。直接频谱仪法，它可以直接显示单边带相位 噪声L(f)，精确地显示两边带上的离散信号。该方法适宜测量漂移较小但相位噪 声相对较高的
6、信号源。其缺点是受频谱仪的动态范围和最小分辨带宽的限制，不 能测量频谱纯净的源；不能分辨调幅噪声及调幅噪声严重的源。2.2鉴频法鉴频法也称单源法。就是将被测信号源的频率起伏Af由某种微波鉴频器变为电压 起伏AV ,用基带频谱仪进行测量，直接得出S(f)，进而也可求出S(f)或者L(f)。w I切 H 汉/ -单1 H45IA I 电篷图1鉴相法相位噪声测试系统框图系统工作原理：将被测源信号经功分器分两路，一路经宽带延迟线时延T, 以便将频率起伏变为相位起伏后进入鉴相器，另一路信号经宽带可变移相器 相移后进入鉴相器进行正交鉴相，由鉴相器将相位噪声转换为电压噪声，经信号 处理后，测得被测信号的相位
7、噪声功率S(f)和相对单边功率谱L(f)。L(f) = (1/2)S(f)=S(f)/f=S(f)/Kf ；K=2nTd式中，S(f)为被测源信号频率起伏Af功率谱，S(f)为鉴相器输出电压功率谱，K 为鉴频系数，d为鉴相器系数。鉴频法具有不需要参考频率源、低的宽频带噪声 底部、抑制调幅、结构简单等特点。缺点是该方案只适宜于测量频率随机漂移较 大振荡器。2.3鉴相法鉴相法是将被测信号与一同频高稳定的参考源进行正交鉴相。厘1 H41K I 庄at T 弋芒厂 图2鉴相法相位噪声测试系统框图在此方案中，采用外差方式将被测源信号降至中频，在中频用晶体滤波器和 含VCO的PLL提纯，以获取被测信号的连续载波信号，该信号经相移后与被测信号 鉴相器中正交鉴相，提取被测信号的相位噪声。鉴相器将被测信号的相位噪声转 换为电压噪声。经信号处理后，测得S(f)或L(f)。该方案的优点是采用外差方案， 被测信号频率范围宽，系统灵敏度较高。缺点是载波提纯，移相器的研制较困难， 而且相移器、晶体滤波器特性，鉴相增益等受温度和噪声大小等诸多因素的影响 而变化，不易实现自动化测试。3.结束语相位噪声是许多现代电子系统和设备的一项重要技术指标和关键性技术问 题，通过相位噪声的表征和测试的研究，找到影响频率源稳定性的因素，可应用 于测控系统，衡量其频率源的质量。
