相位噪声对收发信机的影响

相位噪声是衡量振荡器性能的核心指标，通常也被称为相位抖动，其定义为在某一频率偏移Δf处1Hz宽带内的单边噪声信号积分功率和载波信号功率比值，相位噪声示意见图1。

图1相位噪声示意图

相位噪声的根源在于振荡器内部频率与相位的不稳定。为将相位噪声降至最低水平，多数振荡器使用精密的电路和控制技术。然而相位噪声并不能完全消除，对于通信系统、高性能接收机以及精密测量等领域而言，其影响至关重要。

通信领域

现代通信系统传输速率高，对收发信机的指标提出了更高的要求，以下将从发射机和接收机两个角度来阐述相位噪声对收发信机的影响。

(1)发射机EVM

在WiFi或4G/5G蜂窝电信中使用的高阶正交幅度调制(QAM)方案中，相噪是误码率的限制因素。高阶调制方案具有较低的误差矢量幅度(EVM)要求，EVM直接受到相噪的影响，理想状态下的星座图如图2所示。

图2高阶调制理想星座图

发射信号受到相噪影响，相位抖动会导致符号在原点周围以圆形图案渗透，星座图开始旋转(如图3所示)，EVM值恶化，导致发射信号质量变差，影响整个系统的误码率。对于5G NR、wifi6和wifi7采用高阶调制方案的高速通信系统， EVM要求越来越高，导致对参考频率相位噪声更加苛刻。

图3相位噪声对16QAM星座图的影响

(2)发射机ACLR

发射机中相位噪声表现不佳，将引起频谱再生现象。这一现象在极端情况下会更加明显，导致相邻信道功率泄漏比(ACLR)超出技术规范规定的水平。

(3)接收机灵敏度

相位噪声影响接收机的选择性和灵敏度，对本振信号的相位噪声要求也相应提升，以下说明相噪对接收机性能的影响。

假设接收器中的本振具有理想的频率响应如图4(a)所示，非理想的本振相位噪声如图4(d)所示。有用信号和干扰信号同时进入接收机，如图4(b)和(e)所示。

当有用信号和干扰信号通过下变频混频器转换为中频信号时，如果本振信号完全没有相位噪声，那么通过滤波器可以高效地移除大部分干扰信号，如图4(c)所示。然而，在实际应用中本振往往带有相位噪声。有用信号和干扰信号通过具有相位噪声的本地下变频时，结果将变为如图4(f)所示。由于本振的相位噪声导致信号和干扰的频率响应扩散，并且相互作用的频率响应与信号频率响应可能发生重叠。在这种情况下，使用模拟滤波器在射频或滤除干扰信号变得非常困难，这也是本振的相位噪声特性至关重要的原因。

图4相位噪声对接收机的影响

高性能射频接收器

高性能射频接收器的性能受相位噪声和频谱纯度的影响。相位噪声的质量直接关系到接收器接收和分辨微弱信号的精确度。若高性能射频接收器在下变频过程中产生的相位噪声过大，会掩盖主频附近的微弱信号(图5)，从而导致接收器难以捕捉并处理微弱的回波信号。相反，相位噪声越低，回波就越锋利，这将会极大提升接收器的性能。

图5高性能射频接收器相位噪声对微弱信号的影响

精密测量

在工业自动化和精密测量系统中，精准的时序与频率同步扮演着核心角色，对于保障系统整体的稳定性与精确度具有不可或缺的重要性。相位噪声的存在，往往成为引发系统测量误差及控制不稳定的潜在因素。

在医疗设备领域的核磁共振成像(MRI)与超声波系统等高精度诊断工具中，时钟的微小抖动都可能对疾病的诊断与治疗精确性产生影响。相位噪声的干扰，可能会显著降低成像的清晰度与数据的精确度，从而影响到决策的准确性。

为满足特定领域对于极低相位噪声的需求，大普技术推出了一系列高性能的超低相噪OCXO，通过创新的晶体设计实现超高Q值。此外，依托大普自主研发的高性能、高集成度OC-IC，大普对时钟振荡系统、驱动电路及电源管理进行了全面而精细的优化，能够提供输出频率信号在近端和远端均展现出卓越相位噪声性能的解决方案。

具体而言，大普技术的O23S系列超低相噪OCXO，在10Hz偏移频率下，其近端相位噪声可低至-145 dBc/Hz;而在100 kHz偏移频率下，远端相位噪声低至-168 dBc/Hz。

图6O23S-A445-10.00MHz-A相噪实测图

持续追求更低相噪，更低功耗，更小封装，更高稳定度，是大普高稳时钟产品线不断进步的核心驱动力。大普技术以自主研发的高性能时钟集成电路(IC)及先进的补偿算法为基石，构建完整的时钟信号链解决方案，满足客户对于时钟信号完整性和精准度的严苛要求。未来，大普技术将持续在降低相噪、提升稳定度等方面不断突破，推出更多创新产品!