频综

现代微波频率合成器技术讲座赛英科技刘光祜LiuGuanghu第一章相位噪声一、基本概念相位噪声（相噪）——噪声（加性噪声、闪烁噪声等）引起频率源输出相位的随机起伏；——相位噪声；噪声调相；零均值随机变量；——噪声调频；噪声边带；频率的瞬时起伏——短期频率稳定(短稳)。结论：相位噪声是噪声对主谱的随机调角（调频、调相）二、相位噪声的度量1、相位噪声的功率谱密度简单分析：单一频率产生的噪声调相：ttfVtVtv0002coscostdtddtdfdtdf21210mfStftmrms2sin2——有效值（应理解为统计值）单位B——测试等效带宽的数学含义：自相关函数的傅立叶变换，成立2、在RF定义的单边带相位噪声功率谱密度L(fm)没有相噪的理想频谱实际的输出，相噪常用测量方法定义单位单位：rmsBffSmrmsm2Hzrad2mfSt02mmdffS频谱仪噪声基底ƒ0输出频率f01HzfmPssB（dBm）Ps（dBm）L（fm）=PssB/Ps（f0+fm）处的噪声谱密度mfHzdBc@SmSSBmPffPfL)()(0当时，可证明3、短稳的阿仑方差（无间歇二采样方差）——相位噪声的时域指标τ——取样时间，M——测量次数采用阿仑方差的原因：频率短稳的标准方差对某些相噪因数不收敛。阿仑方差与相位噪声谱密度的关系：公式使用上的困难：——？，——？4、剩余调频——在一定带宽内，噪声调频产生的频偏的统计值rad1maxdBmdBmfLdBfS32f202121,fMMf11tktkkdttff1121－Mkkkff02224sin2mmmfdfffSfcmfS2f2fmfSresFmmbammmbamresdffLfdffSfF222三、相位噪声的产生机理1、加性噪声引起放大器的相位噪声基底模型：矢量图：分析结果：放大器相位噪声功率谱密度（基底）为或2、闪烁噪声（噪声）使放大器近端相位噪声恶化Fc——噪声转角频率——放大器相噪基底，——噪声PsikTFSdBdBdBPsiFdBmS174sirmsV2相位抖动0mnrmsV2无噪ampPsi加性噪声Pnicfmf基底PsikTF特性1mfSf1mmcmfPsiFkTffPsiFkTfS1PsiFkTmff13、振荡器的相位噪声（1）Leeson模型及结论其中振荡器相噪功率谱密度：几个结论：（1）振荡器相噪大于放大器相噪（2）（半带宽）时，靠近输出频率，相噪恶化（3）高Q振荡器的相噪指标高无噪放大器对调制信号等效的低通H(jωm)mfmfmf放大器等效输入相噪放大器输出相噪LmmQfjfjfH2110mLmmfQffSfS210mmfSfSLmQff20mfSmLfSQ（2）振荡器相位噪声的幂律谱结构将表式代入后——白调相噪声；——白调频噪声；——闪烁调相噪声；——闪烁调频噪声；●高Q与低Q振荡器的差别：时（高Q）时（低Q）mfSmfS02112031mmmmmfhfhfhfhfS31mfh20mfh11mfh02mfhLcQff20LcQff20cfmf31mfhS11mfh00mfhLf20cfmf31mfhS20mfh02mfhLf20●晶振与LC-VCO的差别●加入高Q谐振器对振荡器相位噪声的改善四、相位噪声对电路系统的影响1、相位噪声使信号解调后基带信噪比下降；2、接收机本振相位噪声可能使信号干扰经“倒易混频”进入中频通带。mfmfL-170-120-70HzdBc300MHzVCO10MHzXO倍频到300MHz的XO35.5dBh-1fm-3h0fm-2h2fm0fmfcf0/2QL低QLf0/2QH相噪改善高θH谐振器f0/2QLfcNfSfLf干扰信号L0相噪差相噪好IfNLff噪声淹没了信号L0相噪差相噪好混频SLff3、多进制数字调制系统（如QAM）对相位噪声提出更高要求例：LO相噪引起QAM状态偏移，产生误码16-QAM星座图通信领域相关文献举例：●SensitivityofSingle-carrierQAMSystemstophaseNoiseArisingfromtheHot-carriereffect2006IEEE●AnalysisoftheeffectsofphaseNoiseinFilteredMulti-tone(FMT)Modulatedsystems2004IEEE●EffectofCarrierFrequencyOffsetandPhaseNoiseonthePerformanceofWFMTSystems2006IEEE●EffectofPhaseNoiseonRFCommunicationSingles2000IEEEQI●EffectofFrequencyInstabilityCausedbyPhaseNoiseonthePerformanceofFastFHCommunicationSystem2004IEEE●EffectofRFOscillatorPhaseNoiseonPerformanceofCommunicationSystem2004IEEE●LocalOscillatorPhaseNoiseandEffectoncorrelationMillimeterwaveReceiverPerformance●UnderstandingtheEffectsofPhaseNoiseinOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing2001IEEE4、相位噪声对OFDM系统性能的影响是当前热门学术话题OFDM相关文献举例：●EffectsofPhaseNoiseat60thTransmitterandReceiveronthePerformanceofOFDMSystems2006IEEE●CompensationofPhaseNoiseinOFDMwirelessSystems2007IEEE●CommonMagitudeerrorDuetoPhaseNoiseinOFDMSystems2007IEEE●AnalysisofPhaseNoiseEffectsonTime-DirectionDifferentialOFDMReceivers2005IEEE●PerformanceAnalysisofOFDMSystemswithPhaseNoise2007IEEE●OntheDetectionofOFDMSignalsinthePresenceofStrongPhaseNoise●OntheCalculationofOFDMErrorPerformancewithPhaseNoiseinAWGNandFadingChannels2006IEEE5、相位噪声直接影响各种体制雷达的指标雷达体制受相位噪声影响的参数多普勒测速雷达测速精度脉冲压缩雷达距离精度，虚假回波动目标显示雷达改善因子脉冲多普勒雷达杂散下能见度合成孔径雷达天线方向图定量分析专著：《空间跟踪和通信用地面发射机系统设计》郭衍莹国防工业出版社1984举例：MTI雷达频率源相位噪声与一次对消改善因子I1的关系：B——IF带宽，τ——发射与回波的时延，T——重复周期雷达领域相关文献举例：●ANewApproachforEvaluatingthePhaseNoiseRequirementsofSTALOinDopplerRadarthe37thEuropeanMicrowaveConference●EffectsofTransmitterPhaseNoiseonMillimeterwaveLFMCWRadarPerformance2008IEEE.●TheEffectofPhaseNoiseinaSteppedFrequencyContinuouswaveGroundPenetratingRadar2001IEEE●TheInfluenceofTransmitterPhaseNoiseonFMCWRadarPerformance2006EuMA●PredictionofPhaseNoiseinTWTbasedTransmitterforaPulsedDopplerRadar1996IEEE20221sinsin81BmmmmdfTfffSI中文相关文献举例：●综论现代雷达频率稳定度问题1991微波频率源及其测量论文集郭衍莹●频率源的稳定度对雷达性能的影响1991微波频率源及其测量论文集应启珩●MTI雷达改善因子与频率源短稳的关系1991微波频率源及其测量论文集朱学勇●相位噪声对脉冲多普勒雷达性能影响《现代雷达》99.21卷2期方立军●机械雷达频综器相位噪声对杂波下能见度的限制《电讯技术》2000.40卷4期王宗龙●本振相位噪声对干涉式合成孔经辐射计性能的影响《遥感技术与应用》2007.22卷2期杨栅●相位噪声分析及对电路系统的影响《火控雷达技术》2003.32卷2期高树延●振荡器相位噪声对FSK稳定性能的影响《系统仿真学报》2007.19卷1期●频率合成器相位噪声对跳频通信系统的影响《空间电子技术》2006.3卷4期徐启刚●相位噪声对传输误码率的影响《电讯技术》2007.4卷4期刘嘉兴●QPSK系统微波本振相位噪声与BER的定量关系《空间电子技术》2005.2卷3期刘玉峰●本振相位噪声引起QPSK信号相噪比降低的分析与仿真《空间电子技术》2004.1卷1期张爱兵第二章频率合成器指标频率合成——由一个参考频率通过电路技术产生一个或多个频率信号的技术参考频率源——高稳定、高纯频谱基准源，一般是XO、TCXO、OCXO一、频率合成器主要指标1、单边带相位噪声L（fm）（1）基本概念：因噪声对输出频率随机调角造成输出频率的瞬时随机抖动（短期频率稳定度），主谱两侧产生调角噪声边带；在时域，可用阿仑方差表征这种短期频率稳定度；在频域，可用相位噪声功率谱密度表征瞬时频率稳定度；(2)L（fm）的定义和单位Ps——主谱（f0）功率Pssb——距主谱fm处1Hz带宽内的单边带调频噪声功率单位：dBc/Hz@Hz。SmSSBmPffPfL)()(0（3）相位噪声的重要性（举例）*载波相位噪声解调后影响基带信噪比；*接收机本振相噪因“倒易混频”使干扰进入中频通带；*AMTI/PD雷达中载波相噪会降低“改善因子”；*复杂数字调制（如QAM）接收机中，本振相噪下降，误码率增加2、非谐波杂散（1）基本概念：*除输出频率之外的其它寄生信号（不含噪声）相对于主谱的最大功率。*单位：dBc；*杂散一般是以寄生调频边带形式产生（见左下图）*谐波是信号的波形参数，并非寄生信号.（2）产生杂散的原因：*PLL频综：鉴相杂散，分数杂散；*DDS频综：原因、成分复杂；*混频的组合干扰；*时钟寄生调频；*电源50Hz寄生调频。（3）杂散抑制指标的意义及测量*杂散可直接或经过非线性电路进入信道带宽内；*频谱仪测杂散应该取平均；3、跳频时间（1）基本概念：*频综从f1跳至f2，在误差范围内所需时间，数量级：μs~ms；*送数时间应计入跳频时间;（2）跳频时间的重要性：捷变频体制的重要指标；（3）跳频时间测量仪器：调制域分析仪、信号分析仪、存贮示波器；二、频率合成器的其他指标4、频率漂移（1）频率温漂单位ppm（10－6）（工作温度范围）（2）频率时漂（老化率）单