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卫星通信系统中相应噪声之理论及测试

2/14/2005
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卫星通信系统中相应噪声之理论及测试(殷琪) 摘要:本文从相位噪声的定义出发,主要讨论卫星通信系统中相位噪声的来源,介绍一种 在现场经常使用的、简便可行的测试相位噪声的方法——频谱分析仪测试方法。 关键词:相位噪声 相位抖动方差 频谱分析仪 随着卫星通信系统中愈来愈多地采用PSK(相位键控)调制技术,系统中产生的相位 噪声对线路质量的影响日趋显著,相位噪声将引起载波相位抖动、Eb/No降低,从而产生 码间干扰,最终导致全链路性能恶化。传统的相位噪声测试是比较复杂的,需要大量的仪 表和一定的测试环境,现场操作有一定困难,通常只在工厂进行相位噪声测试。本文将根 据相位噪声的定义,主要讨论卫星通信系统中相位噪声的来源,介绍一种在现场经常使用 的、简便易行的测试相位噪声的方法——频谱分析仪测试方法。该方法也可用于数字微波 通信系统中相位噪声测试。 1相位噪声 什么是相位噪声呢?首先让我们看一个角频率为w的纯净载波功率C,在(w+p)处叠 加一个1Hz带宽的单边带噪声后的情况。 可见一个角频率为w的纯净载波在(w+p)处叠加上一个1Hz的单边噪声,可以近似地 等效为1个在角频率为w的调幅调相波,该调幅调相波可分解成以下边带: 为了区别噪声功率密度和“相位噪声”功率密度,将用符号Nop表示相位噪声功率密 度,因为只有一半噪声功率转换到调相边带中去,所以Nop=No/2 2倍频振荡器中的相位噪声 在卫星通信地球站,变频器中使用的本振大多数是倍频振荡器,那么倍频又会对相位 噪声产生怎样的影响呢? 经理论分析可知,调幅调制指数不因理想借频而有所变化,因此,调幅噪声边带也将 不变,调相信号经倍频后,除载波频率变化了n倍外,其调相指数也从θ1变为nθ1,可见, 倍频n倍的效果使得相位噪声边带出现了很大的变化,倍频后的相位噪声功率密度与载波 功率的比值是倍频前相位噪声功率密度与载波功率比值的n2倍。如果n是个很大的数,使 得倍额后调幅噪声边带对整个噪声边带的贡献可以忽略不计,换句话说,n信频后(n>>1) 的噪声边带几乎全部是相位噪声。 至此,我们已对卫星通信系统中的相位噪声的产生做了一些分析。为了进一步强调其 物理意义,现作如下总结: 所谓相位噪声是由一个纯净载波和噪声叠加引起的。其中噪声可以看成是由许多个功 率密度为八的窄带噪声组成的。经过对窄带噪声的分析可知,窄带噪声可以近似地等效为 一个正弦调幅调相波且各占一半的噪声功率密度,即一半的噪声功率密度转换到调相边带 中成为相位噪声功率密度,另一半噪声功率密度转换到调幅边带中去,对相位噪声没有贡 献。如果对叠加了噪声的纯净载波n倍频,其结果是,转换到调相边带的噪声功率密度将 会增加n倍,成为相位噪声,如果n是个很大的数字,那么信频后调幅边带与调相边带相比 可以忽略不计,因此情额后的噪声几乎全部是相位噪声。 3放大器对相位噪声的影响 系统中串接的放大器又将对相位噪声作出怎样的贡献呢? 首先讨论一个线性振荡器与放大器串接的情况,经过理论分析表明: 对于相位噪声边带,当偏移频率较低时,即靠近载波频率时,振荡器的相位噪声比放 大器的相位噪声对总的相位噪声贡献大。 当偏移频率等于fo时,(fo为载波频率,Q为振荡器Q值),振荡器和放大器对总的相 位噪声贡献相等,即在串接放大器后总的相位噪声密度上升了3dB。 当偏移频率远远大于fo/2Q时,放大器噪声对相位噪声的贡献将起主导作用,且随偏 移频率的增加,其总的相位噪声密度不变,等于放大器噪声的一半,直到偏移频率增加到 某一频率时,放大器的选择性开始衰减至噪声边带为止。 对于俗频振荡器与放大器串接的情况,如果放大器放在倍频放大器之前,那么放大器 噪声对相位噪声将乘以n2;如果放大器放在倍频放大器之后,那么放大器噪声对相位噪声 贡献就不会被放大n2倍。 由此可见,上行系统的相位噪声除与调制器和变频器本振有关外,还与高频率放大器 有关,尤其在相位噪声高频段,上行系统的相位噪声主要由高功率放大器的噪声所决定。 下行系统中的相位噪声主要来源于变频器本振,这是因为低噪声放大器的噪声温度很低, 换句话说,由低噪声放大器本身产生的噪声很小,因此,在下行系统中低噪声放大器对相 位噪声的贡献可以忽略不计,但是,假如在某一下行系统中除低噪声放大器外,还有线路 放大器,那么此线路放大器对下行系统的相位噪声的贡献则不能忽略。 4在卫星通信系统中利用频谱分析仪对相位噪声的测试 前面已经讨论过了卫星通信系统中相位噪声的来源和本质。那么对该相位噪声将怎样 进行测试呢?细分起来在卫星通信系统中要进行三方面的相位噪声测试: (1)变频器中的相位噪声测试; (2)上行系统中的相位噪声测试; (3)下行系统中的相位噪声测试。 这三方面相位噪声的测试几乎都可以用频谱分析仪进行测试。在被测系统的输入端用 振荡器输入一个高纯度的“纯净”测试载波。在输出端接一个频谱分析仪测量该载波及其 噪声边带。绝大多数情况下,该载波的噪声边带是相位噪声边带。 一般说来,从频谱分析仪上测到的载波噪声边带包括有调幅、调相两种噪声。在频谱 仪上是很难将它们再分开的,幸运的是被测系统中的变频器目前大多采用n信频振荡器, 且n是一个很大的数字。前面已经指出,如果n是个很大的数字,倍额后调根边带的功率密 度与载波之比较倍频前的调相边带功率密度与载波之比提高了n2倍,而调相边带却没有变 化,因此使得倍 频后的调幅噪声边带可以忽略不计。故由频谱仪测出的噪声边带几乎全 部是相位噪声边带。只有在上行系统相位噪声测试时,由于被测系统中除具有变频器外, 还有高功率放大器,故在距载波频率偏移不高时,由功放输出的上行载波噪声边带绝大部 分是调相噪声边带。而在偏移频率较高时,相位噪声主要由高功率放大器噪声决定,这就 很难从频谱仪上分出哪些是相位噪声,哪些是调幅噪声,尽管如此,在大多数情况下,此 时载波边带总的噪声水平很低,几乎都能满足相位噪声边带要求,因此可以用频谱分析仪 测量整个上行系统的相位噪声。对于个别超过指标的情况,可以用专门仪表测量其相位噪 声。 另外,用频谱分析仪测量连续的相位噪声密度时,应该注意的问题是:对频谱分析仪 屏幕上显示的数值必须加以修正。频谱仪显示的噪声功率密度是在一定的分辨带宽BR下得 到的,需将其归一化到1Hz带宽时的噪声功率密度,由于频谱仪的分辨带宽是3dB带宽,它 不同与等效噪声带宽,一般可以认为二者间的关系为:噪声带宽=1.2×3dB带宽;另外还 应加入2.5 dB的修正值,这是由于频谱仪使用的对数放大器对噪声峰值信号的放大小于对 低电平的噪声信号的放大,以及频谱仪使用的峰值检波器峰值检波与有效值检波之间的修 正。所以,实际的相位噪声密度为: 相位噪声密度二频谱仪显示的噪声密度+2.5-10lg1.2×BR,其中BR为频谱仪的分辨 带宽(Hz)。 对于离散相位噪声则不需修正。一般对于连续相位噪声的指标要求是随频率而变化的, 且频率范围较宽,如果只用较小的扫描带宽测量边带相位噪声,则不能反映出在偏离载波 频率较高时的相位噪声,另一方面如果用较大的扫描带宽测量单边带相位噪声,则对于低 频段的相位噪声的分布就看不清楚。因此建议采用不同的扫描宽度如100Hz、1kHz、10 kHz、 100kHz、1MHz,对相位噪声进行测量,同时选择频谱仪的分辨带宽尽量小一些,最好是 10 Hz,以便能分辨出在低频段由电源引起的离散相位噪声。 5小结 对于采用PSK调制方式的载波来说,系统中的相位噪声是不可忽略的,它将对载波产 生影响,降低Eb/No从,产生码间干扰,导致误码率劣化。为保证系统质量性能,对系统 的相位噪声必须加以限制,对于相位噪声可能超出指标要求的情况,必须进行测试。幸运 的是绝大多数系统中都采用了倍频方式,因此可以用频谱分析仪测试法对相位噪声进行测 试,只有在个别情况下,分辨不出来哪些是调幅噪声,哪些是调相噪声,才采用其他方法 测量相位噪声。 摘自《电信科学》