卫星通信系统中相应噪声之理论及测试

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》