相位雜訊
相位雜訊
相位雜訊（Phase noise）是指系統（如各種射頻器件）在各種雜訊的作用下引起的系統輸出信號相位的隨機變化。它是衡量頻率標準源（高穩晶振、原子頻標等）頻穩質量的重要指標，隨著頻標源性能的不斷改善，相應雜訊量值越來越小，因而對相位雜訊譜的測量要求也越來越高。傳統的零拍測量法已面臨嚴重的挑戰，特別是在如何減少測量系統本身的雜訊對測量結果的影響，提高系統的測量靈敏度方面尤為困難。
現象類比：從北京飛往上海的航班排好后，每天按照固定的時刻起飛降落，周而復始。但是一天由於天氣原因，航班無法正常起飛和降落，很多航班相對正常時間都有所延誤（相位的變化），引起了航班安排的混亂。
相位雜訊就是指系統（如各種射頻器件）在各種雜訊的作用下引起的系統輸出信號相位的隨機變化。描述無線電波的三要素是幅度、頻率、相位。頻率和相位相互影響。理想情況下，固定頻率的無線信號波動周期是固定的，正如飛機的正常航班一樣，起飛時間是固定的。頻域內的一個脈衝信號（頻譜寬度接近0）在時域內是一定頻率的正弦波。
但實際情況是信號總有一定的頻譜寬度，而且由於雜訊的影響，偏離中心頻率的很遠處也有該信號的功率，正如有延誤1小時以上的航班一樣；偏離中心頻率很遠處的信號叫做邊帶信號，邊帶信號可能被擠到相鄰的頻率中去，正如延誤的航班可能擠占其他航班的時間，從而使航班安排變得混亂。這個邊帶信號就叫做相位雜訊。
如何描述相位雜訊的大小呢？在偏移中心頻率一定範圍內，單位帶寬內的功率與總信號功率的比，單位為dBc/Hz。如果要評估某一天天氣對航班的影響，也可以用類似的思路，定義晚點1小時以上的航班和航班總數的比例。當然了，這個比例越小越好。射頻器件系統內的熱雜訊可能導致相位雜訊的產生。
相位雜訊的大小可以反映出射頻器件的優劣。在設計和使用射頻器件時，要注意射頻器件對相位雜訊的抑制能力。相位雜訊越小，射頻器件越好。
相位雜訊和抖動是對同一種現象的兩種不同的定量方式。在理想情況下，一個頻率固定的脈衝信號(以MHz為例)的持續時間應該恰好是1微秒，每500ns有一個跳變沿。但不幸的是，這種信號並不存在。實際信號的信號周期的長度總會有一定變化，從而導致下一個沿的到來時間不確定。這種不確定就是相位雜訊，或者說抖動。
相位雜訊是對信號時序變化的另一種測量方式，其結果在頻率域內顯示。用一個振蕩器信號來解釋相位雜訊。如果沒有相位雜訊，那麼振蕩器的整個功率都應集中在頻率f=fo處。但相位雜訊的出現將振蕩器的一部分功率擴展到相鄰的頻率中去，產生了邊帶(sideband)。從圖2中可以看出，在離中心頻率一定合理距離的偏移頻率處，邊帶功率滾降到1/fm，fm是該頻率偏離中心頻率的差值。
相位雜訊通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。一個振蕩器在某一偏移頻率處的相位雜訊定義為在該頻率處1Hz帶寬內的信號功率與信號的總功率比值。
相位雜訊是指單位Hz的雜訊密度與信號總功率之比，表現為載波相位的隨機漂移，是評價頻率源(振蕩器)頻譜純度的重要指標。
源自：有線數字電視傳輸特性與故障解析《中國有線電視》2005年趙雨境，王恆江
相位雜訊是指光的正弦振蕩不穩定，時而出現某處相位的隨機跳變。相位雜訊導致光源線寬變寬。光強度雜訊是指因自發輻射光強的隨機變化和外界溫度的變化，導致發射光強的起伏
源自:Fabry-Perot干涉式光纖溫度傳...《感測器技術》2001年曹滿婷
來源文章摘要：分析了溫度對相位的調製作用以及Fabry-Perot干涉結構檢測相位變化的原理，提出了一種具有高靈敏度和高解析度的相位調製型全光纖結構，並進行了系統的雜訊分析。
是一隨機量通常把信號的相似隨機起伏中（t）稱為相位雜訊.（t）隨時間變化的隨機過程是一平穩的隨機過程並使隨機量的概率密度分佈符合正態分佈。
源自：受多項雜訊影響的二級方差估值的置信度《四川教育學院學報》1997年林時昌
來源文章摘要：有限次（m次）採樣測量的二級方差估值（，m）隨機地偏離其真值<）。這種隨機不確定性不僅和m有關，而且和雜訊的性質有關。計算出單項雜訊所產生的不確定度；分析了多項雜訊對總不確定度的影響，並引用置信度的概念表徵測量的不確定度。
(t)〕sin[2兀ft+小(t)]相位雜訊是指頻率信號中由頻率源內部雜訊調製(調相或調頻)產生的隨機相位起伏。當被測相位雜訊比頻譜分析儀自身的相位雜訊大時，可直接利用頻譜分析儀來測量相位雜訊，這是一種簡單、方便的相位雜訊測量方法
源自：頻譜分析儀在測量相位雜訊過程中的數值修正《國外電子測量技術》2002年曹芸
來源文章摘要：本文介紹了在使用頻譜分析儀測量相位雜訊時，影響其測量結果的因素並討論了如何對頻譜分析儀輸出結果進行修正。
則()rk的相角為()kknkqj+q+,其中()nkq是雜訊()nk對相位的干擾，稱為相位雜訊。可見,kq中包含了全部的載波相位信息,kj包含了大量甚至全部的碼字信息
源自：相位處理載波恢復演演算法研究《信息與電子工程》2003年袁清升，劉文
來源文章摘要：針對數字信號傳輸同步接收機的數字化實現，提出一種載波同步新演演算法即相位處理載波恢復演演算法。它直接對接收信號的相角進行處理，完成載波頻率的快速捕獲和載波相位跟蹤。理論分析和計算機模擬表明，該演演算法簡單有效，運算量小，便於用DSP器件來實現，適用性強。
2個調相邊帶功率之和是總功率的一半,2個調幅邊帶功率之和是總功率的另一半，換句話說，總雜訊功率N0的一半功率轉換到調相邊帶，另一半轉換到調幅邊帶，轉換到調相邊帶的雜訊稱為相位雜訊
源自：衛星通信系統中相位雜訊之理論及測試《電信科學》2000年殷琪
來源文章摘要：本文從相位雜訊的定義出發，主要討論衛星通信系統中相位雜訊的來源，介紹一種在現場經常使用的、簡便可行的測試相位雜訊的方法———頻譜分析儀測試方法。
SK解調符號上就會引入相位誤差，該誤差可通稱為相位雜訊，對系統性能產生重要影響。關於相位雜訊對MPSK、MDPSK的影響分析，文獻[8]運用幾何方法推導了AWGN通道中MPSK的條件誤符號率
帶有相位雜訊的MPSK和MDPSK性能...《電子學報》2005年程雲鵬，王金龍，沈良，任國春
相位雜訊一般是指在系統內各種雜訊作用下引起的輸出信號相位的隨機起伏。通常相位雜訊又分為頻率短期穩定度和頻率長期穩定度。所謂頻率短期穩定度，是指由隨機雜訊引起的相位起伏或頻率起伏。至於因為溫度、老化等引起的頻率慢漂移，則稱之為頻率長期穩定度。通常我們主要考慮的是頻率短期穩定度問題，可以認為相位雜訊就是頻率短期穩定度。
一個理想的正弦波信號可用下式表示：
V(t)=A0sin2πf0t （1）
式中,V(t)為信號瞬時幅度,A0為標稱值幅度,f0為標稱值頻率。此時信號的頻譜為一線譜。但是由於任何一個信號源都存在著各種不同的雜訊，每種雜訊分量各不相同，使得實際的輸出成為：
V(t)=[A0+ε(t)]sin[2πf0t+j(t)] （2）
在研究相位雜訊的測量時，由於考慮振蕩器的幅度雜訊調製功率遠小於相位雜訊調製功率，所以 ε(t) <
V(t)=A0sin[2πf0t+j(t)] （3）
對j(t)的測量，可以用各種類型的譜密度來表示。顯然此時的相位起伏為Δj(t)=j(t),頻率起伏為Δf(t)=[dj(t)/dt]/2π。常用的相對頻率起伏：
y(t)=[dj(t)/dt]/2πf0 （4）
由於相位雜訊j(t)的存在，使頻率源的頻率不穩定。這種不穩定度常用時域阿侖方差σ2y(2,τ,τ)及頻域相對單邊帶功率譜（簡稱功率譜）Lp(f)或相噪功率譜Sj(f)來表徵。它們的定義為：
σ2y(z)=σ2(2,τ,τ)=(1/v20)(1/2)(y1-y2)2 （5）
式中y1,y2為測量採樣時間τ的相鄰二次測量測得的頻率平均值。
Lp(f)=[PSSB(f)/P0](dBc/Hz) （6）
其中PSSB(f)為一個相位雜訊調製邊帶在頻率為f處的功率譜密度,P0為載波功率。
由（3）及（4）式得相位起伏的自相關函數Rj(τ)=[j(τ),j(t+τ)]和相對頻率起伏的自相關函數Ry(τ)=[y(τ), y(t+τ)],由維納-欽辛定理可知自相關函數和功率譜密度間存在如下關係
表示傅里葉變換對。通常j(t)<<1,近似有
Lp(f)=(1/2)Sj(f)（7）
1，相位調製的方法：PSK，DPSK，DQPSK產生
2，相位雜訊的起因：放大器雜訊和非線性克爾效應，也即自相位調製（SPM）和交叉相位調製（XPM）和四波混頻，但一般在分析的時候只考慮到SPM引起的相移效應。
3，相位雜訊的統計特性；這是研究這方面的重點和難點，和其他的隨機過程一樣，非線性相位雜訊和光強度也服從一定的聯合概率分佈。按照K.P.Ho的paper一般用特徵函數來求其聯合概率分佈。其結論是，同激光的相位統計雜訊不同，相位調製的相位雜訊服從菲中心卡方分佈和高斯隨機分佈的卷積（見Stastics of Noline phase Noise) 。
4,非線性相位雜訊的補償：線性和非線性，使用的是MMSE和MAP準則，同一般通信原理中的最小誤碼概率方法的一樣。但其實現較困難的。
5，以上考慮基本上沒有考慮色散和PMD和DWDM中的效應，因此，在實際計算是應該考慮更多，但基本思想還是一樣，就是利用概率來使信號的BER最小。
電子技術的發展，使器件的雜訊係數越來越低，放大器的動態範圍也越來越大，增益也大有提高，使得電路系統的靈敏度和選擇性及線性度等主要技術指標都得到較好的解決。隨著技術不斷提高，對電路系統又提出了更高的要求，這就要求電路系統必須低相位雜訊，在現代技術中，相位雜訊已成為限制電路系統的主要因素。低相噪對提高電路系統性能起到重要作用。
在現代接收機中，各種高性能，例如大動態、高選擇性、寬頻帶捷變等都受相位雜訊限制。尤其在電磁環境越來越惡劣的情況下，接收機經過混頻從強幹擾信號中提取弱小有用信號是非常重要的。如果在弱小信號鄰近處存在強幹擾信號，這兩種信號經過接收機混頻器，就會產生所謂倒易混頻現象。
看出本振相噪差時，混頻后中頻信號被混頻后的干擾信號所淹沒，如果本振相噪好則信號就能顯露出來，只需有一個好的窄帶濾波器既可有效的濾出信號。如果本振相噪差，即使中頻濾波器能夠濾除強幹擾中頻信號，強幹擾中頻信號的雜訊邊帶仍然淹沒了有用信號，使接收機無法接收到弱小信號，尤其對大動態、高選擇性的接收機，這種現象很明顯。因此要求接收機具有良好的選擇性和大動態，則接收機本振信號的相噪必須好。
相位雜訊好壞對通訊系統有很大影響，尤其現代通訊系統中狀態很多，頻道又很密集，並且不斷的變換，所以對相噪的要求也愈來愈高。如果本振信號的相噪較差，會增加通信中的誤碼率，影響載頻跟蹤精度。
相噪不好不僅增加誤碼率和影響載頻跟蹤精度，還影響通信接收機通道內、外性能測量，相噪對鄰近頻道選擇性的影響。要求接收機選擇性越高，則相噪就必須更好，要求接收機靈敏度越高，相噪也必須更好。
當目標超低空飛行時，雷達面臨著很強的地面雜波，要想從強地雜波中提取信號目標，雷達必須有很高的改善因子。因為這些雜波進入接收機，經混頻后，很難把有用信號與強地物反射波分離開，尤其對低速度運動目標，並接近地面時，發現目標就變得非常困難，這時只有提高雷達改善因子。
為了提高低空檢測能力，提高對低空突防目標的發現能力，頻率源的低相噪非常重要，雷達能從強雜波環境中區分出運動目標，則要求雷達必須全相參產生出極低相噪的發射信號和接收機本振信號及各種相參基準信號，如果改善因子要求大於50dB，頻率源的時域ms頻率穩定度應優於10-10量級，相噪在S波段偏1KHz應優於-105dBc/Hz，100KHz優於-125dBc/Hz。
另外雷達往往工作在脈衝狀態，尤其低重複周期雷達，調製后的雷達載頻頻譜為辛格譜，每一根辛格譜遠端相噪將迭加給其他辛格譜，使兩根相鄰辛格譜之間的相噪大大惡化。在頻率源“遠端”相噪不夠低的情況下，這種惡化是很明顯的。從這一點看，雷達頻率源不能只要求偏離1KHz相噪，同時對偏離10KHz、100KHz及1MHz都應該有一適當要求，一般應按冪律譜下降，這樣才能保證脈衝調製后的發射頻譜合格，取得好的改善因子。
基本信息
- 中文名
- 相位雜訊
- 外文名
- Phase noise
- 雜訊譜
- 測量要求也越來越高
- 相位雜訊
- 是衡量頻率標準源
- 測量系統
- 本身的雜訊對測量結果的影響
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