浅谈相噪产生的原因及其影响

相位噪声这个指标会影响雷达、通信等各类电子设备。放到雷达里，相位噪声能把多普勒回波信号给淹没掉；用在通信系统时，它会让调制星座点跑偏错位。搞懂相位噪声的产生原理，研发工程师在做设计时就能避开不少坑。

一、引言

通信系统里的电磁信号可以看作电压矢量，承载着幅度与相位信息（图1所示）。

图1

杂散信号与热噪声等效成叠加在发射信号矢量端点上的误差矢量，会造成原始信号幅度、相位畸变（图2所示）。

图2

倘若这个误差矢量由热噪声造成，接收合成信号的幅度、相位都会出现随机偏差。信号幅值越小（也就是信噪比SNR越低），这种偏差带来的影响就越突出。

常规通信系统依靠本振信号与基带信号混频，把基带数据搬移到目标载波频率。发射、接收链路里所有有源器件都会产生相位噪声，其中上下变频用的本振源的相位噪声影响最严重。相位噪声会改变原始信号矢量的相位角度，对应图3所示。变频本振自带的相位噪声和输入信号大小没有关系，因此在系统整个工作动态范围内，它全程都会干扰通信链路。

图3

二、相位噪声对误码率（BER）的影响

通信系统采用复杂的矢量调制星座图来提升链路有效传输速率。载波信号等效为电压矢量，幅度、相位固定，精准落在星座图里某一个符号点位上；每个符号承载一组比特，单符号比特数由星座调制阶数决定。

图4是64QAM（正交幅度调制）星座图的单个象限（64QAM总计64个符号位，四个象限均分，每象限16个符号），每个符号矢量对应6bit数据。图中红色发射矢量对应编码001001（6比特符号）；蓝色虚线围成判定边界，接收矢量落在该区域内，就能正确解调原始码字。只有各类误差矢量叠加后，没有把接收矢量推出判定边界，才不会产生误码。

图4

图3为16QAM星座（单符号4比特），图4为64QAM星座。对比不难看出：星座点位稀疏的16QAM对相位噪声容错性更好；点位排布更密集的64QAM，受相位噪声影响更敏感、容错余量更小。

三、相位噪声的功率谱密度

相位噪声一般在频域中采用功率谱密度函数来表示，如图5所示。相位噪声谱曲线上各点的噪声幅值，是相对载波呈高斯分布的噪声分量。一般情况下，随着偏离载波的频差不断变大，相位噪声按照每十倍频下降20dB的规律衰减。在载波近端，闪烁噪声会叠加在相位噪声上，频差越小总噪声越高，噪声以每十倍频抬升30dB的速率增大。

在远离载波的位置，相位噪声电平低于热噪声；频偏超过相位噪声与热噪声的交汇点后，热噪声成为噪声主体，谱线保持水平，理论上热噪声在全频段功率恒定不变。

注：闪烁噪声功率谱密度满足1/f变化规律，每十倍频降低10dB，式中f为相对载波的频偏。这类噪声通常由器件直流通电产生，在低频段影响突出。

图5

图6为相位噪声功率谱密度的典型计算曲线，本曲线的闪烁噪声拐点位于载波频偏1kHz处。图中没有绘制热噪声平坦基底，热噪声由系统架构决定，需要明确本振在整机中的器件排布并完成系统分析后，才可确定其电平。

图6

注释：载波附近10Hz~100Hz频偏区间，谱密度按每十倍频30dB的速率下降；10kHz~100kHz频偏区间，谱密度变为每十倍频20dB的速率下降。

相位噪声谱密度曲线一般采用单边带、以偏离载波的频偏为横坐标绘制；噪声幅值单位为dBc/Hz。

最后总结一下：

矢量调制是数字信号传输的优选方案，依靠载波的幅度与相位对应星座图符号，每个符号承载一组比特码字。星座排布越密集，单符号承载比特数越多，数据传输效率越高。

制约星座密度的四项关键因素：1.链路固有固定信号失真；2.邻道干扰；3.热噪声；4.相位噪声。本文重点分析相位噪声，它在全信号电平范围内都会限制系统性能。通常载波频率越高，相位噪声相对载波的功率电平（dBc）越差。掌握相位噪声的特性、成因与影响，是设计高效、高可靠性通信系统的关键。