相位噪聲對收發(fā)信機(jī)的影響

相位噪聲是衡量振蕩器性能的核心指標(biāo)，通常也被稱為相位抖動，其定義為在某一頻率偏移Δf處1Hz寬帶內(nèi)的單邊噪聲信號積分功率和載波信號功率比值，相位噪聲示意見圖1。

圖1相位噪聲示意圖

相位噪聲的根源在于振蕩器內(nèi)部頻率與相位的不穩(wěn)定。為將相位噪聲降至最低水平，多數(shù)振蕩器使用精密的電路和控制技術(shù)。然而相位噪聲并不能完全消除，對于通信系統(tǒng)、高性能接收機(jī)以及精密測量等領(lǐng)域而言，其影響至關(guān)重要。

通信領(lǐng)域

現(xiàn)代通信系統(tǒng)傳輸速率高，對收發(fā)信機(jī)的指標(biāo)提出了更高的要求，以下將從發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩個角度來闡述相位噪聲對收發(fā)信機(jī)的影響。

(1)發(fā)射機(jī)EVM

在WiFi或4G/5G蜂窩電信中使用的高階正交幅度調(diào)制(QAM)方案中，相噪是誤碼率的限制因素。高階調(diào)制方案具有較低的誤差矢量幅度(EVM)要求，EVM直接受到相噪的影響，理想狀態(tài)下的星座圖如圖2所示。

圖2高階調(diào)制理想星座圖

發(fā)射信號受到相噪影響，相位抖動會導(dǎo)致符號在原點(diǎn)周圍以圓形圖案滲透，星座圖開始旋轉(zhuǎn)(如圖3所示)，EVM值惡化，導(dǎo)致發(fā)射信號質(zhì)量變差，影響整個系統(tǒng)的誤碼率。對于5G NR、wifi6和wifi7采用高階調(diào)制方案的高速通信系統(tǒng)， EVM要求越來越高，導(dǎo)致對參考頻率相位噪聲更加苛刻。

圖3相位噪聲對16QAM星座圖的影響

(2)發(fā)射機(jī)ACLR

發(fā)射機(jī)中相位噪聲表現(xiàn)不佳，將引起頻譜再生現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在極端情況下會更加明顯，導(dǎo)致相鄰信道功率泄漏比(ACLR)超出技術(shù)規(guī)范規(guī)定的水平。

(3)接收機(jī)靈敏度

相位噪聲影響接收機(jī)的選擇性和靈敏度，對本振信號的相位噪聲要求也相應(yīng)提升，以下說明相噪對接收機(jī)性能的影響。

假設(shè)接收器中的本振具有理想的頻率響應(yīng)如圖4(a)所示，非理想的本振相位噪聲如圖4(d)所示。有用信號和干擾信號同時進(jìn)入接收機(jī)，如圖4(b)和(e)所示。

當(dāng)有用信號和干擾信號通過下變頻混頻器轉(zhuǎn)換為中頻信號時，如果本振信號完全沒有相位噪聲，那么通過濾波器可以高效地移除大部分干擾信號，如圖4(c)所示。然而，在實(shí)際應(yīng)用中本振往往帶有相位噪聲。有用信號和干擾信號通過具有相位噪聲的本地下變頻時，結(jié)果將變?yōu)槿鐖D4(f)所示。由于本振的相位噪聲導(dǎo)致信號和干擾的頻率響應(yīng)擴(kuò)散，并且相互作用的頻率響應(yīng)與信號頻率響應(yīng)可能發(fā)生重疊。在這種情況下，使用模擬濾波器在射頻或?yàn)V除干擾信號變得非常困難，這也是本振的相位噪聲特性至關(guān)重要的原因。

圖4相位噪聲對接收機(jī)的影響

高性能射頻接收器

高性能射頻接收器的性能受相位噪聲和頻譜純度的影響。相位噪聲的質(zhì)量直接關(guān)系到接收器接收和分辨微弱信號的精確度。若高性能射頻接收器在下變頻過程中產(chǎn)生的相位噪聲過大，會掩蓋主頻附近的微弱信號(圖5)，從而導(dǎo)致接收器難以捕捉并處理微弱的回波信號。相反，相位噪聲越低，回波就越鋒利，這將會極大提升接收器的性能。

圖5高性能射頻接收器相位噪聲對微弱信號的影響

精密測量

在工業(yè)自動化和精密測量系統(tǒng)中，精準(zhǔn)的時序與頻率同步扮演著核心角色，對于保障系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性與精確度具有不可或缺的重要性。相位噪聲的存在，往往成為引發(fā)系統(tǒng)測量誤差及控制不穩(wěn)定的潛在因素。

在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的核磁共振成像(MRI)與超聲波系統(tǒng)等高精度診斷工具中，時鐘的微小抖動都可能對疾病的診斷與治療精確性產(chǎn)生影響。相位噪聲的干擾，可能會顯著降低成像的清晰度與數(shù)據(jù)的精確度，從而影響到?jīng)Q策的準(zhǔn)確性。

為滿足特定領(lǐng)域?qū)τ跇O低相位噪聲的需求，大普技術(shù)推出了一系列高性能的超低相噪OCXO，通過創(chuàng)新的晶體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超高Q值。此外，依托大普自主研發(fā)的高性能、高集成度OC-IC，大普對時鐘振蕩系統(tǒng)、驅(qū)動電路及電源管理進(jìn)行了全面而精細(xì)的優(yōu)化，能夠提供輸出頻率信號在近端和遠(yuǎn)端均展現(xiàn)出卓越相位噪聲性能的解決方案。

具體而言，大普技術(shù)的O23S系列超低相噪OCXO，在10Hz偏移頻率下，其近端相位噪聲可低至-145 dBc/Hz;而在100 kHz偏移頻率下，遠(yuǎn)端相位噪聲低至-168 dBc/Hz。

圖6O23S-A445-10.00MHz-A相噪實(shí)測圖

持續(xù)追求更低相噪，更低功耗，更小封裝，更高穩(wěn)定度，是大普高穩(wěn)時鐘產(chǎn)品線不斷進(jìn)步的核心驅(qū)動力。大普技術(shù)以自主研發(fā)的高性能時鐘集成電路(IC)及先進(jìn)的補(bǔ)償算法為基石，構(gòu)建完整的時鐘信號鏈解決方案，滿足客戶對于時鐘信號完整性和精準(zhǔn)度的嚴(yán)苛要求。未來，大普技術(shù)將持續(xù)在降低相噪、提升穩(wěn)定度等方面不斷突破，推出更多創(chuàng)新產(chǎn)品!