相位噪声及对雷达及通信系统影响

随着技术的发展，射频元器件的噪声系数越来越低，放大器的动态范围也越来越大，增益也大有提高，使得系统的灵敏度和选择性以及线性度等主要技术指标都得到较好的解决。同时，随着技术的不断提高，又提出了更高的要求，这就要求系统必须具有较低的相位噪声，在现代技术中，相位噪声已成为限制主要因素。今天就来了解一下相位噪声及对雷达及通信系统影响。

（一）相位噪声的定义

相位噪声(Phase Noise)是指系统(如射频器件)在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化。它是衡量频率标准源(高稳晶振、原子频标等)的短期稳定度的重要指标，随着频率源性能的不断改善，相应噪声越来越小，因而对相位噪声的测量要求也越来越高。

相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。

如图1所示，一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值，约等于中心频率f0处曲线的高度与fm处曲线的高度之差。

通常情况下，一个单频率正弦信号是频域的冲击函数，但在使用频谱分析仪或接收机测量中测量中，在频谱的周围会有很多毛刺，噪底被抬升，越接近信号的中心频率，噪声越高，相位噪声就表现为近边带的噪声干扰。而影响发射机信号相位噪声的因素包括内部晶振、时钟稳定度，变频本振源，以及锁相环的性能等。在接收端，接收机的本振相位噪声性能是影响被测信号相噪的主要因素，而相位噪声决定了接收机分辨近端不等幅信号的能力。

（二）相位噪声对雷达及通信系统的影响

相位噪声及其时域对应物、抖动在雷达和通信系统中也有一定影响，因此高速数字调制方案和先进雷达（也使用复杂数字调制技术进行脉冲压缩）的最新进展使雷达和通信系统更容易受到相位噪声性能退化的影响。

在标准的星座图中，相位噪声可以被视作旋转模糊的符号位置在经过反复试验后周围的理想符号位置。在低符号位置计数数字调制方法中，这不是特别关注的问题。然而，在较高的正交调幅（QAM）系统和其他高符号位置计数调制方法中，由于相位噪声，符号间干扰会显著增加。根据符号的密度，通信方案甚至可能受相位噪声限制而非受干扰或噪声限制。

对于雷达系统，相位噪声同样具有破坏性，特别是对于多普勒雷达和依赖数字调制方法的先进脉冲压缩技术。

以多普勒雷达为例，通过对原发射信号和回波信号的频偏和频移的转换，可直接计算多普勒雷达的距离和速度。频率偏置或偏移的任何变化都将使多普勒雷达的频率-时间转换产生误差，并导致距离和速度不准确。在远距离下或在监测快速移动目标时，频率精度的相位噪声变化可能会导致无法接受的雷达性能退化。

虽然相位噪声通常被归为振荡器选择问题，但来自放大器、混频器和其他有源和无源信号链组件的附加相位噪声也可能成为整个系统相位噪声性能的一个限制因素。

如果振荡器作为上转换或下转换的本机振荡器（LO）的相位噪声性能足够，但低噪声放大器（LNA）来自本机振荡器驱动混频器的附加相位噪声和混频器的相位噪声性能较差，则信号中的整体相位噪声可能低于预期范围。

功率放大器（PAs）和混频器作为低噪声放大器在许多雷达和通信体系结构中有着广泛使用，在限制相位噪声的设计中也必须考虑这些组件的附加相位噪声。

审核编辑 ：李倩