解決雷達和通信系統(tǒng)中的相位噪聲挑戰(zhàn)

介紹

相位噪聲正迅速成為復雜雷達和通信系統(tǒng)中解決的最關鍵因素。這是因為它是定義雷達目標采集和通信系統(tǒng)頻譜完整性的關鍵參數(shù)。有許多論文詳細介紹了相位噪聲的數(shù)學推導，但很少有人提到其重要性的原因。在這個由兩部分組成的博客系列的第1部分中，我們將討論相位噪聲的一般性以及它如何影響不同微波系統(tǒng)的性能。

什么是相位噪聲？

相位噪聲通常用作振蕩器內頻率穩(wěn)定性的量度。這種噪聲本質上不同于任何電氣系統(tǒng)的一般背景噪聲，其定義為kTB，其中k是玻爾茲曼常數(shù)，B是帶寬，T是溫度。相反，相位噪聲是與振蕩器的拓撲和結構直接相關的次要效應。

圖 1：理想信號（藍色）和帶相位噪聲的信號（紅色）。

我們?yōu)槭裁搓P心相位噪聲？

相位噪聲會影響許多不同微波系統(tǒng)的性能。

直接下變頻是微波通信系統(tǒng)中的一種接收器。直接下變頻的一個優(yōu)點是電路簡單，它本質上是由本振（LO）驅動的單個混頻器，用于將輸入RF信號轉換為基帶（極低頻率）。然后將該基帶信號直接施加到模數(shù)轉換器進行處理。這種架構的常用術語是“RF輸入，位輸出”。但是，直接下變頻的一個問題是，輸入RF信號的頻率可能非常接近LO，這使得轉換過程容易受到相位噪聲的影響 - 特別是在信號強度較低的情況下。

在雷達系統(tǒng)中，問題在性質上是相似的。雷達系統(tǒng)的工作原理是在一個頻率上發(fā)射脈沖，然后測量返回脈沖的頻率偏移，因為偏移與通過多普勒效應成像的物體的速度有關。移動非常緩慢的物體會產(chǎn)生頻率非常接近發(fā)射脈沖的返回脈沖，如果物體的橫截面也很小，則此接收信號的功率電平也將非常低。最終，該返回脈沖必須轉換為基帶才能恢復速度信息，相位噪聲會掩蓋數(shù)據(jù)。

在圖2中，我們可以看到，如果我們想要轉換的RF信號的功率電平低于LO信號的相位噪聲頻譜，我們將無法恢復任何基帶信息，因為信號將位于噪聲中。因此，降低相位噪聲將提高我們的接收器靈敏度。

圖 2：我們希望轉換為基帶的理想 LO 信號（藍色）、具有相位噪聲的 LO 信號（紅色）和頻率接近的 RF 信號（綠色）。

在圖3中，我們展示了相位噪聲如何對轉換產(chǎn)生負面影響，這次是多載波正交頻分復用（OFDM）信號。在該圖中，我們注意到，如果LO的相位噪聲過高，則噪聲將被轉換為基帶數(shù)據(jù)的相鄰通道，從而破壞信息的完整性。

圖 3：OFDM 系統(tǒng)中的相位噪聲問題。理想的LO信號（藍色），帶相位噪聲的LO信號（紅色），RF信號（綠色）。

放大器和相位噪聲

限制相位噪聲的一個明顯地方是振蕩器的選擇。這個問題可以通過花費大量時間和金錢來設計或購買低噪聲振蕩器來解決。然而，大多數(shù)振蕩器不能產(chǎn)生足夠的輸出功率，實際上讓我們假設，對于特定應用，+5 dBm的振蕩器輸出需要放大到+15至+17 dBm的水平，以驅動混頻器的LO端口。那么問題來了——放大器會影響LO信號的相位噪聲嗎？

在理想情況下，答案是否定的，因為放大器只需將所需的LO信號和裙邊提高相同的電平。然而，實際上，微波放大器會向任何信號添加自己的噪聲，這就是問題所在。所有電子設備都表現(xiàn)出一種稱為1/f噪聲或“粉紅噪聲”的現(xiàn)象，即噪聲功率被添加到輸入信號頻譜中，但與失調頻率的倒數(shù)成比例下降。在圖4中，我們展示了CMD307P3的相位噪聲，CMD10P17是一款覆蓋《》至《》 GHz范圍的低噪聲放大器，與目標信號的偏移頻率的關系。輸入信號的相位噪聲已被抵消，因此該圖表示放大器產(chǎn)生的噪聲。

圖 4：CMD307P3 LNA 相位噪聲

在圖4中，我們注意到相位噪聲在對數(shù)刻度上隨著頻率偏移的增加而線性下降，這是1/f噪聲的特征。如果該噪聲電平高于輸入信號的相位噪聲，則放大器噪聲將主導輸出噪聲頻譜。在我們的例子中，這意味著振蕩器的低相位噪聲將被放大器的較高相位噪聲所取代，從而違背了低相位噪聲振蕩器的目的。這種現(xiàn)象的圖形表示如圖5所示。

圖 5：放大器引起的相位噪聲下降。

左側輸入信號的裙邊在通過放大器后增加，輸出頻譜在右側。

一個明顯的問題是 - 是否可以采取任何措施來降低放大器的相位噪聲？答案就在器件物理學中。1/f噪聲是由有源器件通道中的隨機和熱電荷移動引起的。例如，CMD307P3采用砷化鎵（GaAs）pHEMT工藝制造，澆口長度為0.13 um。該工藝中的FET器件由于其高電子遷移率，通常具有較高的1/f角。另一方面，砷化鎵雙極器件往往具有較低的電子遷移率，這意味著1/f噪聲要低得多。因此，它們的相位噪聲比FET器件好得多。因此，降低加性相位噪聲的一種解決方案是使用砷化鎵HBT工藝。

在Custom MMIC，我們利用我們在放大器設計技術方面的廣泛知識，在工作頻率為6至40 GHz的GaAs HBT工藝上創(chuàng)建了一系列新的低相位噪聲放大器（LPNA）。

在圖6中，我們顯示了CMD245放大器的相位噪聲與失調頻率的關系，該放大器采用4 mm QFN型封裝，相對于前面所示的CMD307P3 HEMT LNA。我們注意到CMD245C4的相位噪聲比CMD15P20 pHEMT LNA低307至3 dB。

圖 6：CMD245C4（藍色）低相位噪聲放大器與 CMD307P3（綠色）LNA 的相位噪聲。

除振蕩器和放大器外，其他元件也會產(chǎn)生相位噪聲，包括倍頻器。許多微波系統(tǒng)利用低頻振蕩器，然后將其乘以產(chǎn)生更高的頻率。一種常見的乘法方法是使用諧波端接放大器來產(chǎn)生所需的輸出頻率。不幸的是，這種方法會將放大器的相位噪聲添加到乘法信號中，從而降低原始振蕩器的相位噪聲。

第二種方法是使用無源乘法，它有可能為乘法器的信號（也稱為倍增器）增加最小的額外相位噪聲。定制MMIC還創(chuàng)建了一系列無源HBT式倍頻器，不會增加輸入信號的相位噪聲。在下表中，我們總結了定制MMIC的無源乘法器芯片系列（也提供SMT封裝版本）。

結論

在這個由兩部分組成的博客系列中，我們討論了相位噪聲如何成為與振蕩器的拓撲和結構直接相關的次級效應。我們已經(jīng)分析了相位噪聲如何影響直接下變頻接收器和雷達的性能。最后，我們提出了特定的定制MMIC解決方案來解決這些挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷