解決雷達(dá)和通信系統(tǒng)中的相位噪聲挑戰(zhàn)

介紹

相位噪聲正迅速成為復(fù)雜雷達(dá)和通信系統(tǒng)中解決的最關(guān)鍵因素。這是因?yàn)樗嵌x雷達(dá)目標(biāo)采集和通信系統(tǒng)頻譜完整性的關(guān)鍵參數(shù)。有許多論文詳細(xì)介紹了相位噪聲的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，但很少有人提到其重要性的原因。在這個由兩部分組成的博客系列的第1部分中，我們將討論相位噪聲的一般性以及它如何影響不同微波系統(tǒng)的性能。

什么是相位噪聲？

相位噪聲通常用作振蕩器內(nèi)頻率穩(wěn)定性的量度。這種噪聲本質(zhì)上不同于任何電氣系統(tǒng)的一般背景噪聲，其定義為kTB，其中k是玻爾茲曼常數(shù)，B是帶寬，T是溫度。相反，相位噪聲是與振蕩器的拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)直接相關(guān)的次要效應(yīng)。

圖 1：理想信號（藍(lán)色）和帶相位噪聲的信號（紅色）。

我們?yōu)槭裁搓P(guān)心相位噪聲？

相位噪聲會影響許多不同微波系統(tǒng)的性能。

直接下變頻是微波通信系統(tǒng)中的一種接收器。直接下變頻的一個優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，它本質(zhì)上是由本振（LO）驅(qū)動的單個混頻器，用于將輸入RF信號轉(zhuǎn)換為基帶（極低頻率）。然后將該基帶信號直接施加到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。這種架構(gòu)的常用術(shù)語是“RF輸入，位輸出”。但是，直接下變頻的一個問題是，輸入RF信號的頻率可能非常接近LO，這使得轉(zhuǎn)換過程容易受到相位噪聲的影響 - 特別是在信號強(qiáng)度較低的情況下。

在雷達(dá)系統(tǒng)中，問題在性質(zhì)上是相似的。雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理是在一個頻率上發(fā)射脈沖，然后測量返回脈沖的頻率偏移，因?yàn)槠婆c通過多普勒效應(yīng)成像的物體的速度有關(guān)。移動非常緩慢的物體會產(chǎn)生頻率非常接近發(fā)射脈沖的返回脈沖，如果物體的橫截面也很小，則此接收信號的功率電平也將非常低。最終，該返回脈沖必須轉(zhuǎn)換為基帶才能恢復(fù)速度信息，相位噪聲會掩蓋數(shù)據(jù)。

在圖2中，我們可以看到，如果我們想要轉(zhuǎn)換的RF信號的功率電平低于LO信號的相位噪聲頻譜，我們將無法恢復(fù)任何基帶信息，因?yàn)樾盘枌⑽挥谠肼曋小Ｒ虼?，降低相位噪聲將提高我們的接收器靈敏度。

圖 2：我們希望轉(zhuǎn)換為基帶的理想 LO 信號（藍(lán)色）、具有相位噪聲的 LO 信號（紅色）和頻率接近的 RF 信號（綠色）。

在圖3中，我們展示了相位噪聲如何對轉(zhuǎn)換產(chǎn)生負(fù)面影響，這次是多載波正交頻分復(fù)用（OFDM）信號。在該圖中，我們注意到，如果LO的相位噪聲過高，則噪聲將被轉(zhuǎn)換為基帶數(shù)據(jù)的相鄰?fù)ǖ?，從而破壞信息的完整性?/p>

圖 3：OFDM 系統(tǒng)中的相位噪聲問題。理想的LO信號（藍(lán)色），帶相位噪聲的LO信號（紅色），RF信號（綠色）。

放大器和相位噪聲

限制相位噪聲的一個明顯地方是振蕩器的選擇。這個問題可以通過花費(fèi)大量時間和金錢來設(shè)計(jì)或購買低噪聲振蕩器來解決。然而，大多數(shù)振蕩器不能產(chǎn)生足夠的輸出功率，實(shí)際上讓我們假設(shè)，對于特定應(yīng)用，+5 dBm的振蕩器輸出需要放大到+15至+17 dBm的水平，以驅(qū)動混頻器的LO端口。那么問題來了——放大器會影響LO信號的相位噪聲嗎？

在理想情況下，答案是否定的，因?yàn)榉糯笃髦恍鑼⑺璧腖O信號和裙邊提高相同的電平。然而，實(shí)際上，微波放大器會向任何信號添加自己的噪聲，這就是問題所在。所有電子設(shè)備都表現(xiàn)出一種稱為1/f噪聲或“粉紅噪聲”的現(xiàn)象，即噪聲功率被添加到輸入信號頻譜中，但與失調(diào)頻率的倒數(shù)成比例下降。在圖4中，我們展示了CMD307P3的相位噪聲，CMD10P17是一款覆蓋《》至《》 GHz范圍的低噪聲放大器，與目標(biāo)信號的偏移頻率的關(guān)系。輸入信號的相位噪聲已被抵消，因此該圖表示放大器產(chǎn)生的噪聲。

圖 4：CMD307P3 LNA 相位噪聲

在圖4中，我們注意到相位噪聲在對數(shù)刻度上隨著頻率偏移的增加而線性下降，這是1/f噪聲的特征。如果該噪聲電平高于輸入信號的相位噪聲，則放大器噪聲將主導(dǎo)輸出噪聲頻譜。在我們的例子中，這意味著振蕩器的低相位噪聲將被放大器的較高相位噪聲所取代，從而違背了低相位噪聲振蕩器的目的。這種現(xiàn)象的圖形表示如圖5所示。

圖 5：放大器引起的相位噪聲下降。

左側(cè)輸入信號的裙邊在通過放大器后增加，輸出頻譜在右側(cè)。

一個明顯的問題是 - 是否可以采取任何措施來降低放大器的相位噪聲？答案就在器件物理學(xué)中。1/f噪聲是由有源器件通道中的隨機(jī)和熱電荷移動引起的。例如，CMD307P3采用砷化鎵（GaAs）pHEMT工藝制造，澆口長度為0.13 um。該工藝中的FET器件由于其高電子遷移率，通常具有較高的1/f角。另一方面，砷化鎵雙極器件往往具有較低的電子遷移率，這意味著1/f噪聲要低得多。因此，它們的相位噪聲比FET器件好得多。因此，降低加性相位噪聲的一種解決方案是使用砷化鎵HBT工藝。

在Custom MMIC，我們利用我們在放大器設(shè)計(jì)技術(shù)方面的廣泛知識，在工作頻率為6至40 GHz的GaAs HBT工藝上創(chuàng)建了一系列新的低相位噪聲放大器（LPNA）。

在圖6中，我們顯示了CMD245放大器的相位噪聲與失調(diào)頻率的關(guān)系，該放大器采用4 mm QFN型封裝，相對于前面所示的CMD307P3 HEMT LNA。我們注意到CMD245C4的相位噪聲比CMD15P20 pHEMT LNA低307至3 dB。

圖 6：CMD245C4（藍(lán)色）低相位噪聲放大器與 CMD307P3（綠色）LNA 的相位噪聲。

除振蕩器和放大器外，其他元件也會產(chǎn)生相位噪聲，包括倍頻器。許多微波系統(tǒng)利用低頻振蕩器，然后將其乘以產(chǎn)生更高的頻率。一種常見的乘法方法是使用諧波端接放大器來產(chǎn)生所需的輸出頻率。不幸的是，這種方法會將放大器的相位噪聲添加到乘法信號中，從而降低原始振蕩器的相位噪聲。

第二種方法是使用無源乘法，它有可能為乘法器的信號（也稱為倍增器）增加最小的額外相位噪聲。定制MMIC還創(chuàng)建了一系列無源HBT式倍頻器，不會增加輸入信號的相位噪聲。在下表中，我們總結(jié)了定制MMIC的無源乘法器芯片系列（也提供SMT封裝版本）。

結(jié)論

在這個由兩部分組成的博客系列中，我們討論了相位噪聲如何成為與振蕩器的拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)直接相關(guān)的次級效應(yīng)。我們已經(jīng)分析了相位噪聲如何影響直接下變頻接收器和雷達(dá)的性能。最后，我們提出了特定的定制MMIC解決方案來解決這些挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷