电子战接收机对本振相位噪声的需求研究

程　明，王宇光

（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴　314000）



电子战接收机对本振相位噪声的需求研究

程明，王宇光

（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314000）

摘要：复杂而密集的电子信号对电子战接收机的性能提出了越来越高的要求，本振的相位噪声是电子战接收机的重要指标之一，对接收机的动态范围和数字误码率有着重要影响，针对实际工程中对相位噪声需求难以评估的问题，初步分析了相位噪声对接收机动态范围和数字误码率的影响，并通过实例进行了计算分析，可供工程技术人员参考。

关键词：本振；相位噪声；单边带功率谱密度；均方根相位偏移

0　引言

超外差电子战接收机使用本地振荡信号（本振）把射频信号变换到中频，混频器、滤波器和放大器对接收机性能的影响可以通过三阶截点值等分析，而用以驱动混频的本振同样有重要的影响，特别是相位噪声。

假设在一个混频过程中，输入射频为理想信号，RF =A1cos(ω1t+φ)；有相位噪声调制的本振LO =A0cos[ω0t+ψ(t)]，混频后得到的中频为：

或：

由此可见，本振的相位噪声被叠加到了中频信号上，引起变频过程的信号质量恶化。此处忽略了幅度噪声调制，只分析起主要影响的相位噪声调制。本振相位噪声会限制调频或调相系统的信噪比，恶化某些调幅检波器的性能，限制相移键控或者频移键控系统的最小误码率，在频分多址系统中限制最大噪声功率比，还会限制干涉测向的角度分辨率。倒易混频会导致当接收机调谐频率附近出现一个强信号时，使接收机的灵敏度下降，这是因为本振的相位噪声对强干扰信号载波的调制作用。因为本振相噪对强信号的调制作用，载波被相噪调制能量分散在频率中，产生的功率谱密度与本振的单边带相噪成正比，当接收机调谐在强信号的附近时，强信号噪声边带的功率密度有可能超过接收机的底部噪声，这样限制了接收机的灵敏度，也限制了其瞬时动态范围。

1　相位噪声的表示方法和换算

相位噪声有多种描述方法，在频域内，常用功率谱密度函数表征频率或相位的随机起伏。功率谱密度函数有多种形式的表示方法，根据应用条件不同，其中最常见的是单边带（SSB）功率谱密度，表示在1 Hz的带宽内噪声功率与载波功率的比值。

在时域内，由于实际上不可能测得瞬时频率，只能测得在某一时间间隔内频率的平均值，因此对相对频率起伏必须用采样、量化和统计的方法。

如果测量时间从t0开始，采样时间τ，频率测量的

平均值为：

由于要进行多次测量，因此时域内用频率或相位偏移的方差表述也有多种形式。方差的测试是一个较复杂的过程，在实际中常用一种均方根相位偏移的描述方法，它可以方便地从单边带噪声功率谱密度转换过来。

这里用一个例子说明两者完成时域和频域的转换，比如某接收机本振的单边带功率谱密度相位噪声为：-80 dBc/Hz（@1 kHz），-83 dBc/Hz（@10 kHz），-91 dBc/Hz （@100 kHz），-115 dBc/Hz（@1 MHz）。可以用近似积分的方法计算出累积相位偏移：例如计算100 Hz～40 MHz之间的值，设定相位噪声曲线在1 kHz内是3 dB/十倍频程，10 MHz外都是-135 dBc/Hz，因此可以画出其功率谱密度近似曲线，如图1所示，由几条直线段组成，其斜率为b×10 dB/十倍频程（b×3 dB/倍频程）。每条线段的相位偏移的平方为：

图1　某相位噪声曲线近似切线示意图

对于线段1，调制频率f1～f2为100 Hz～10 kHz，功率谱密度的斜率b =- 0.3，则这一段的相位偏移平方为：

同理，线段2～5的斜率b分别等于-0.8，-1.4，-2.0和 0，可以计算相位偏移的平方分别为：这5个相位偏移的平方和为：

因此，相位偏移为：

2　动态范围对本振相位噪声的要求

在全景显示接收机上观测信号，当信号很大时可以看到由本振相位噪声引起的噪声边带，其频域仿真图如图2所示。

图2　本振相位噪声引起信号恶化

接收机的底部噪声与接收系统的噪声带宽有关：

式中：k为Boltzmann常数（1.38×10-23J/K）；T为绝对温度，一般可以取T =290 K；B为噪声带宽，单位为Hz。可以计算出在1 Hz带宽内的底部噪声为-174 dBm。

接收机可检测的最小信号电平S与底部噪声、噪声系数有关：

这里忽略信噪比。S为灵敏度，单位为dBm；NF为噪声系数，单位为dB。

接收机能接收的最大信号为：

式中：DR为接收机动态范围，单位为dB；Pm为接收到的最大信号，单位为dBm。忽略其他因素，假设接收机由于倒易混频造成的中频相噪等于本振相噪，那么本振相位噪声产生的噪声功率为：

式中ζ( f)为本振在偏离一个f处的相位噪声功率谱密度，单位为dBm/Hz。

要使本振的相位噪声不对接收机的灵敏度和动态范围造成大的恶化，必须使它的噪声影响小于信道底部噪声。这里主要关心的是接收机的瞬时动态范围，即接收机对相临数字信道的强弱信号的分辨能力。假如分辨率为B，即等效噪声带宽为B，由式（5）～式（8），可得：

由式（9）可得：

由式（10）可知，接收机动态范围对本振相位噪声的要求与噪声系数没有关系。

假如一台接收机要达到60 dB的动态范围，为了使本振相位噪声不成为障碍，在偏离本振频率10 kHz处至少需要低于下面的值几分贝：

ζ(10 kHz)=-60 - 10 lg 10 000 =-100 dBc/Hz

显然，对于宽带全景显示接收机而言，采用功率谱密度的方法定义相位噪声近似曲线更合适。

3　信号分析对本振相位噪声的要求

在一台分析接收机中，本振的相位噪声会被转移到接收机调谐的载波上，被鉴频器解调出来，相位噪声在鉴频器输出上产生一个恒定的噪声功率，甚至这个功率在通道中占主导地位，这样本振的相位噪声就影响了这台接收机可以获得的信噪比。信噪比与数字信号系统的误码率直接关联，因此信噪比的恶化会增加误码的可能。

在时域上，相位噪声实际上是信号相位的抖动，会影响误码率，根据文献[1]中叙述的经验规则，当需要误码率优于10-6时，如果本振的相位偏移小于相移键控载波的最小相位步进的1/10，则系统的性能变化不大。也就是说，要使QPSK系统误码率优于10-6，本振相位偏移的均方根值应优于9°。

CW信号与相噪差的本振混频后产生畸变的仿真，如图3所示。

图3　CW信号与相噪差的本振混频后产生畸变的仿真

16QAM信号与相噪差的本振混频后产生畸变的仿真，如图4所示。

图4　16QAM信号与相噪差的本振混频后产生畸变的仿真

在正交幅度调制（QAM）信号中包含了幅度和相位两种变量信息，对于理想的方形M⁃QAM信号（M为2的偶数次幂），如果仅考虑相位参数，各点的相位为：

其中n由M =2n获得，a和b为正奇数1，3，5，…。因此，16QAM最小相位差为：

64QAM最小相位差为：

在一定信噪比情况下，为了满足信号处理要求，64QAM信号对相位偏差的要求比16QAM信号高得多。当需要达到10-6的误码率时，要使本振的均方根相位偏移小于0.32°，这个要求就比较高了。显然，对于窄带分析解调接收机而言，采用相位偏移的方法描述本振相位噪声性能更合适。

4　结语

接收机的动态范围等指标直接关系到本振设计需要达到怎样的相位噪声水准，通过计算得到两点：一是接收机动态范围对相位噪声的要求与它的噪声系数无关，和A/D采样的频率间隔也没有关系，只与相位噪声曲线有关；二是接收机要达到60 dB的动态范围，本振的相位噪声需小于-100 dBc/Hz（@10 kHz）几分贝，这与在全景接收机中实际测得的经验值相符合。

对信号分析和解调而言，本振相位噪声不仅可能恶化接收机的信噪比，也可能在小信号情况下影响分析、解调和测向。因此设计接收机和设计本振是相关联的，应该根据需要进行本振的研制以达到接收机的设计要求。另外，相位噪声对信号分析与测向的影响还要进一步定量研究，这也需要不断积累数据和经验。

参考文献

[1] GREBENKEMPER C J. Local oscillator phase noise and its ef⁃fect on receiver performance [J]. WJ Communications，2002，12：4⁃6.

[2] VACCAOR D D.电子战接收系统[M].付大毛，胡永福，译.北京：总参谋部第四部，1996.

[3]殷兆伟，戴国宪.不断发展的现代电子战接收机[J].舰船电子对抗，2002（5）：6⁃9.

[4]陈大龙.相位噪声对QAM数字微波通信系统误码率的影响[D].长沙：国防科技大学，2004.

[5]黄智伟.锁相与频率合成器电路设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[6]刘嘉兴.相位噪声对数传误码率的影响[J].电讯技术，2007（4）：63⁃65.

Requirement of EW receiver to local oscillator phase noise

CHENG Ming，WANG Yuguang
（The No. 36 Research Institute of CETC，Jiaxing 314000，China）

Abstract：The increasingly high demand is put forward to the performance of EW receiver for the complex and dense elec⁃tronic signals. The local oscillator phase noise is one of the important indexes of EW receiver，and has important influence on dynamic range and digital bit error rate（BER）of the receiver. Since it′s difficult to assess the demands for phase noise in prac⁃tical engineering，the effect of phase noise on the quantitative relations of receiver dynamic range and digital BER is analyzed preliminarily. The calculation and analysis are carried on by an instance，which can provide a reference for the engineers.

Keywords：local oscillator；phase noise；single side band power spectral density；root⁃mean⁃square phase deviation

作者简介：程明（1978—），男，安徽淮北人，高级工程师。主要研究方向为电子战接收机。王宇光（1974—），男，浙江嘉兴人，高级工程师。主要研究方向为电子战系统。

收稿日期：2015⁃05⁃22

doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.01.014

中图分类号：TN851⁃34

文献标识码：A

文章编号：1004⁃373X（2016）01⁃0054⁃03