相位噪聲是什么
1概述
定義
相位噪聲和抖動(dòng)是對同一種現(xiàn)象的兩種不同的定量方式。在理想情況下,一個(gè)頻率固定的完美的脈沖信號(以1 MHz為例)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該恰好是1微秒,每500ns有一個(gè)跳變沿。但不幸的是,這種信號并不存在。實(shí)際信號的信號周期的長度總會(huì)有一定變化,從而導(dǎo)致下一個(gè)沿的到來時(shí)間不確定。這種不確定就是相位噪聲,或者說抖動(dòng)。
頻域概念
相位噪聲是對信號時(shí)序變化的另一種測量方式,其結(jié)果在頻率域內(nèi)顯示。用一個(gè)振蕩器信號來解釋相位噪聲。如果沒有相位噪聲,那么振蕩器的整個(gè)功率都應(yīng)集中在頻率f=fo處。但相位噪聲的出現(xiàn)將振蕩器的一部分功率擴(kuò)展到相鄰的頻率中去,產(chǎn)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。
相位噪聲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(gè)振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號功率與信號的總功率比值。2 相位噪聲表征
一個(gè)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(shí)幅度,A0為標(biāo)稱值幅度,f0為標(biāo)稱值頻率。此時(shí)信號的頻譜為一線譜。但是由于任何一個(gè)信號源都存在著各種不同的噪聲,每種噪聲分量各不相同,使得實(shí)際的輸出成為:
V(t)=[A0+ε(t)]sin[2πf0t+j(t)] (2)
在研究相位噪聲的測量時(shí),由于考慮振蕩器的幅度噪聲調(diào)制功率遠(yuǎn)小于相位噪聲調(diào)制功率,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(shí)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)
由于相位噪聲j(t)的存在,使頻率源的頻率不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定度常用時(shí)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)來表征。它們的定義為:
σ2y(z)=σ2(2,τ,τ)=(1/v20)(1/2)(y1-y2)2 (5)
式中y1,y2為測量采樣時(shí)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(gè)相位噪聲調(diào)制邊帶在頻率為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(guān)函數(shù)Rj(τ)=[j(τ),j(t+τ)]和相對頻率起伏的自相關(guān)函數(shù)Ry(τ)=[y(τ), y(t+τ)],由維納-欽辛定理可知自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度間存在如下關(guān)系
表示傅里葉變換對。通常j(t)1,近似有
Lp(f)=(1/2)Sj(f)[1](7)
3相位噪聲產(chǎn)生原因
1,相位調(diào)制的方法:PSK,DPSK,DQPSK產(chǎn)生
2,相位噪聲的起因:放大器噪聲和非線性克爾效應(yīng),也即自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(XPM)和四波混頻,但一般在分析的時(shí)候只考慮到SPM引起的相移效應(yīng)。
3,相位噪聲的統(tǒng)計(jì)特性;這是研究這方面的重點(diǎn)和難點(diǎn),和其他的隨機(jī)過程一樣,非線性相位噪聲和光強(qiáng)度也服從一定的聯(lián)合概率分布。按照K.P.Ho的paper一般用特征函數(shù)來求其聯(lián)合概率分布。其結(jié)論是,同激光的相位統(tǒng)計(jì)噪聲不同,相位調(diào)制的相位噪聲服從菲中心卡方分布和高斯隨機(jī)分布的卷積(見Stastics of Noline phase Noise) 。
4,非線性相位噪聲的補(bǔ)償:線性和非線性,使用的是MMSE和MAP準(zhǔn)則,同一般通信原理中的最小誤碼概率方法的一樣。但其實(shí)現(xiàn)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(yīng),因此,在實(shí)際計(jì)算是應(yīng)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。
5 相位噪聲的影響
接收機(jī)
電子技術(shù)的發(fā)展,使器件的噪聲系數(shù)越來越低,放大器的動(dòng)態(tài)范圍也越來越大,增益也大有提高,使得電路系統(tǒng)的靈敏度和選擇性及線性度等主要技術(shù)指標(biāo)都得到較好的解決。隨著技術(shù)不斷提高,對電路系統(tǒng)又提出了更高的要求,這就要求電路系統(tǒng)必須低相位噪聲,在現(xiàn)代技術(shù)中,相位噪聲已成為限制電路系統(tǒng)的主要因素。低相噪對提高電路系統(tǒng)性能起到重要作用。
關(guān)鍵詞: 相位噪聲
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