利用仿真工具分析相位噪声对接收机的影响

摘 要 在超外差接收机中，本振的相位噪声会对接收机抗干扰能力有影响。本文讲述如何利用仿真工具精确分析相位噪声对接收机的影响，可以依据本方法的分析结果确定接收机本振的噪声特性要求。

【关键词】相位噪声 接收机 抗干扰

在超外差接收机中，需要有本振信号在接收机中将射频信号变成中频信号。对于一个应输出频率为f0的信号源，在理想状态下，其输出的信号能量应该都集中在f0这个频点上。但实际情况是，频率为f0的信号，其每个周期1/f0，时域上是很难完全一致的，于是就出现了抖动，这些抖动在频域上表现出来就是f0的附近也有信号能量分布，这些能量就是相位噪声。相位噪声的单位形式是偏移载波中心的某处的1Hz带宽的频谱能量与载波功率的比，如-125dBc/Hz@1MHz。

相位噪声对超外差接收机的双信号选择性性能有影响，双信号选择性是指接收机在有接收信号存在时，对临近信道干扰信号的抑制能力。对于超短波设备，一般会考虑在距离工作频率1个信道、10个信道等位置施加干扰来测试设备的双信号选择性。对于信道带宽50kHz的设备，一般会在距离工作频率50kHz、500KHz、1MHz、5MHz等位置施加干扰。

本文将利用NI公司提供的仿真工具AWRDE搭建接收机仿真模型，并结合某些设备的具体指标来分析本振相位噪声对接收机双信号选择性的影响。本文的设备工作频率是200MHz，工作带宽是50kHz，干扰测试频率是50kHz、200KHz、1MHz。设备的设计任务书上对双信号选择性的要求为50kHz处优于40dB、200kHz处优于80dB、1MHz处优于100dB。

1 建立仿真模型

本文需要建立相位噪声模型和接收通道模型。相位噪声模型是根据某具体本振电路的测试数据，将数据输入到仿真软件后，仿真得到的相位噪声情况如图1，其中 1MHz处的相位噪声电平是-155dBc/Hz。

接收通道是按照超外差接收机形式搭建的，仿真模型如图2：

图中各器件的仿真参数都按照厂家提供的参数进行输入，这样的仿真结果才能与实际接近。

2 仿真接收灵敏度

接收灵敏度测试是测试双信号选择性的参考依据，我们取5%误码率时候的输入信号幅度为灵敏度，在图中标注出接收通道的灵敏度是-115dBm。

3 双信号选择性仿真

双信号选择性仿真是按照双信号选择性的测试方法进行仿真平台搭建的。实际设备性能测试中，双信号选择性测试方法如图3：

测试步骤是：1.关闭干扰信号源射频输出，测试当前接收机的灵敏度为A；2.测试信号源幅度加大3dB，为A+3dB；3.信号源的频率为设备当前工作频率f0+50kHz、f0+200KHz、f0+1MHz；4.调整干扰信号源的幅度，当误码率为5%时，分别记下各频点的干扰信号幅度B；5.此时双信号选择性的抗扰能力为B-A。

在仿真软件中搭建双信号选择性仿真平台如图4。

图中，被测电路就是图2的接收机仿真图，执行仿真后，得到双信号选择性仿真数据如表1，灵敏度是以上一章节的仿真结果为准。

根据上表的测试结果可以看出，该接收机的双信号选择性，在1MHz处是不满足设计要求的。

4 原因分析

通过分析图4中接收机的中频输出频谱情况（图中的TP1部件即为频谱采集点），将主接收信号（测试信号源）停掉，只输入干扰信号，干扰源的幅度是-23dBm。仿真得到如图5的中频输出频谱。

根据图5的频谱情况，中心处为中频滤波器的输出频谱，由于接收主信号停止输出，这部分都是噪声，右侧1MHz处是干扰信号在中频滤波后的输出情况，此时测试得到中频处的噪声能量为-79dBm。

在仿真程序中去掉本振的相位噪声，进行仿真得到的噪声能量为-90dBm，这是自然噪声（即图4中的AWGN部件）进入接收机后的影响，实际电路中自然白噪声是一直存在的。

可见相位噪声对双信号测试时候的结果是有影响的，其成因是由于干扰信号f0+1MHz的信号强度较大，在进入混频器后干扰信号主峰与偏移本振信号1MHz处的噪声能量发生混频，混频产物正好落入中频带内，这个行为就是倒易混频，这个混频产物的存在有时候会淹没主接收信号或是降低主接收信号的信噪比。

这个混频产物的能量取决于干扰信号的强度及相位噪声的强度。在一个有明确设计目标的接收机中，对抑制干扰信号的能力是有最低要求。本例中1MHz双信号选择性的设计目标是100dB，那么在f0+1MHz处输入接收机的干扰信号幅度不能小于-115dBm-（-100dB）=-15dBm。这个值大于表三中1MHz双信号干扰强度-23dBm，因此在干扰加强的下，如果想减少干扰中频产物的能量，只能减少本振的相位噪声，使本振的能量都集中在工作频率上，这样才能减少中频处干扰噪声的能量。

5 确定本振电路相位噪声要求

以1MHz处的双信号作为举例，在前面的仿真中，本振在1MHz处的相位噪声为-155dBc/Hz，其双信号选择性仿真结果为92dB，干扰信号能量为-23dBm。

在仿真工具中逐步降低本振信号1MHz处的相位噪声，同时观察解调误码率，最终本振相位噪声为-169dBc/Hz时，干扰信号幅度为-15dBm时，仿真误码率满足小于5%的要求，1MHz处的双信号选择性指标达到100dB。

根据仿真结果可以确定本例中接收机对本振要求，由于50kHz及200kHz处的双信号选择性已经是满足要求，其相位噪声特性不需要更改，但对1MHz处就需要本振相位噪声能够满足-169dBc/Hz。这个仿真值，可以作为具体电路设计中，对本振电路相位噪声水平设计的要求。

6 结论

当接收机面临强信号干扰时，接收本振的相位噪声会与强干扰信号混频产生中频噪声对接收机中频信号产生影响，使接收机出现阻塞或降敏，影响通信效果。

本文利用软件仿真手段，详细分析了相位噪声对接收机影响的原因和结果，较以往的经验式手段不同，使用仿真工具可以精确计算接收机所本振电路需要满足的相位噪声水平，仿真结果可用于指导后续的本振电路的设计，减少电路设计的翻车风险，加快项目进度。

作者简介

梁大恒（1979-），男，广东省广州市人，工作单位：中国电子科技集团公司第七研究所，职务：硬件工程师。

作者单位

中国电子科技集团公司第七研究所 广东省广州市 510310