信号发生器的体系结构和相位噪声

什么是相位噪声？

相位噪声是振荡器信号周围噪声频谱的频域视图。它描述的是振荡器的频率稳定性。频率稳定性可以分为两个部分：长期稳定性和短期稳定性。长期稳定性（如精度、漂移和老化）以小时、天、月或年为单位表示。短期稳定性〈如相位噪声）则在几秒甚至更短时间内发生。短期变化对系统影响更大，特别是对于相位噪声。

相位噪声测量单位

最常用的相位噪声测量单位是与载波频率功率距离一个特定频率的1赫兹带宽内的单边带(SSB)功率。

£(f) = 1 Hz带宽内的噪声功率/总信号功率

其中，£(f) 的单位为 dBc/Hz.

图1 所示为 SSB 单边带相位噪声测量结果。频率和幅度均为对数刻度。对数图显示的是由最小和最大偏移频率指定的频率范围内的相位噪声测量值。黄色迹线为原始测量结果，蓝色迹线为平滑后的结果。下表列出了十进制频率偏移和相应的噪声功率（归一化到 1 Hz 带宽）。

图 1．SSB单边带相位噪声及对数图和十进制表

信号发生器的体系结构和相位噪声

大多数信号发生器体系结构包括参考振荡器、合成器、电压控制 / YIG振荡器和输出部分。每个元器件对相位噪声特性会产生不同的影响，如图2所示。如果偏移低于 1 kHz，噪声由参考振荡器的性能决定，它会扩大到载波频率。如果偏移在 1 kHz到大约 100 kHz之间，合成器的影响最大。VCO / YIG 振荡器的偏移在 100 kHz到 2 MHz之间，输出放大器的偏移频率高于 2 MHz。

图2．相位噪声性能的贡献

相位噪声有什么作用?

信号源相位噪声性能是获得精确测量的关键因素。它可以用作航空航天和国防以及数字中特定应用的限制因素。理解相位噪声对测试的影响非常重要。

雷达应用

雷达系统需要出色的相位噪声性能。雷达以特定频率发射脉冲，并测量每个返回脉冲的频率变化。每个返回脉冲的频率变化与基于多普勒效应的运动物体的速度有关。如果目标移动非常缓慢，那么返回脉冲的频移很小。在下面的图7中，移动目标的返回脉冲是“有用信号”，固定目标（如地面）的返回脉冲是“干扰信号”。如果有用下变频信号被相位噪声掩盖，那么雷达接收机无法识别运动目标。

图3、不良的 LO 相位噪声影响雷达接收机灵敏度

数字调制

我们来看看数字调制。图4所示为QPSK数字接收机的简化方框图。LO信号的相位噪声转换成了混频器的输出。相位噪声对星座图的直接影响是符号的径向拖尾（用绿色表示）。在高阶调制方案（如256 QAM）中，符号更接近，符号拖尾导致接收机灵敏度下降、比特误码率 (BER) 上升。

图4．具有不良相位噪声 LO 的数字接收机简化框图

正交频分复用(OFDM)

正交频分复用(OFDM)是广泛用于宽带数字通信的制方案。OFDM使用许多紧密间隔的正交子载波信号来并行传输数据，如图9所示。在具有较差相位噪声LO的频率转换期间，带有相位噪声的子载波作为干扰扩散到其他子载波中。相位噪声降低了OFDM信号的调制质量。

图 5．OFDM信号使用较差相位噪声LO上变频

表1 所示为使用OFDM调制方案的现代无线标准的子载波间隔。

表1 OFDM信号的子载波间隔。

从上表可以看出，子载波间隔位于信号发生器的合成器或振荡器会话中。为了获得**调制质量下的性能，您需要尽可能降低特定频率偏移的载波相位噪声。