相位噪聲及對(duì)雷達(dá)及通信系統(tǒng)影響

隨著技術(shù)的發(fā)展，射頻元器件的噪聲系數(shù)越來越低，放大器的動(dòng)態(tài)范圍也越來越大，增益也大有提高，使得系統(tǒng)的靈敏度和選擇性以及線性度等主要技術(shù)指標(biāo)都得到較好的解決。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷提高，又提出了更高的要求，這就要求系統(tǒng)必須具有較低的相位噪聲，在現(xiàn)代技術(shù)中，相位噪聲已成為限制主要因素。今天就來了解一下相位噪聲及對(duì)雷達(dá)及通信系統(tǒng)影響。

（一）相位噪聲的定義

相位噪聲(Phase Noise)是指系統(tǒng)(如射頻器件)在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號(hào)相位的隨機(jī)變化。它是衡量頻率標(biāo)準(zhǔn)源(高穩(wěn)晶振、原子頻標(biāo)等)的短期穩(wěn)定度的重要指標(biāo)，隨著頻率源性能的不斷改善，相應(yīng)噪聲越來越小，因而對(duì)相位噪聲的測量要求也越來越高。

相位噪聲通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。

如圖1所示，一個(gè)振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號(hào)功率與信號(hào)的總功率比值，約等于中心頻率f0處曲線的高度與fm處曲線的高度之差。

通常情況下，一個(gè)單頻率正弦信號(hào)是頻域的沖擊函數(shù)，但在使用頻譜分析儀或接收機(jī)測量中測量中，在頻譜的周圍會(huì)有很多毛刺，噪底被抬升，越接近信號(hào)的中心頻率，噪聲越高，相位噪聲就表現(xiàn)為近邊帶的噪聲干擾。而影響發(fā)射機(jī)信號(hào)相位噪聲的因素包括內(nèi)部晶振、時(shí)鐘穩(wěn)定度，變頻本振源，以及鎖相環(huán)的性能等。在接收端，接收機(jī)的本振相位噪聲性能是影響被測信號(hào)相噪的主要因素，而相位噪聲決定了接收機(jī)分辨近端不等幅信號(hào)的能力。

（二）相位噪聲對(duì)雷達(dá)及通信系統(tǒng)的影響

相位噪聲及其時(shí)域?qū)?yīng)物、抖動(dòng)在雷達(dá)和通信系統(tǒng)中也有一定影響，因此高速數(shù)字調(diào)制方案和先進(jìn)雷達(dá)（也使用復(fù)雜數(shù)字調(diào)制技術(shù)進(jìn)行脈沖壓縮）的最新進(jìn)展使雷達(dá)和通信系統(tǒng)更容易受到相位噪聲性能退化的影響。

在標(biāo)準(zhǔn)的星座圖中，相位噪聲可以被視作旋轉(zhuǎn)模糊的符號(hào)位置在經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)后周圍的理想符號(hào)位置。在低符號(hào)位置計(jì)數(shù)數(shù)字調(diào)制方法中，這不是特別關(guān)注的問題。然而，在較高的正交調(diào)幅（QAM）系統(tǒng)和其他高符號(hào)位置計(jì)數(shù)調(diào)制方法中，由于相位噪聲，符號(hào)間干擾會(huì)顯著增加。根據(jù)符號(hào)的密度，通信方案甚至可能受相位噪聲限制而非受干擾或噪聲限制。

對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)，相位噪聲同樣具有破壞性，特別是對(duì)于多普勒雷達(dá)和依賴數(shù)字調(diào)制方法的先進(jìn)脈沖壓縮技術(shù)。

以多普勒雷達(dá)為例，通過對(duì)原發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)的頻偏和頻移的轉(zhuǎn)換，可直接計(jì)算多普勒雷達(dá)的距離和速度。頻率偏置或偏移的任何變化都將使多普勒雷達(dá)的頻率-時(shí)間轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差，并導(dǎo)致距離和速度不準(zhǔn)確。在遠(yuǎn)距離下或在監(jiān)測快速移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，頻率精度的相位噪聲變化可能會(huì)導(dǎo)致無法接受的雷達(dá)性能退化。

雖然相位噪聲通常被歸為振蕩器選擇問題，但來自放大器、混頻器和其他有源和無源信號(hào)鏈組件的附加相位噪聲也可能成為整個(gè)系統(tǒng)相位噪聲性能的一個(gè)限制因素。

如果振蕩器作為上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換的本機(jī)振蕩器（LO）的相位噪聲性能足夠，但低噪聲放大器（LNA）來自本機(jī)振蕩器驅(qū)動(dòng)混頻器的附加相位噪聲和混頻器的相位噪聲性能較差，則信號(hào)中的整體相位噪聲可能低于預(yù)期范圍。

功率放大器（PAs）和混頻器作為低噪聲放大器在許多雷達(dá)和通信體系結(jié)構(gòu)中有著廣泛使用，在限制相位噪聲的設(shè)計(jì)中也必須考慮這些組件的附加相位噪聲。

審核編輯 ：李倩