相位噪聲（Phase noise）是指系統（如各種射頻器件）在各種噪聲的作用下引起的系統輸出信號相位的隨機變化。它是衡量頻率標準源（高穩晶振、原子頻標等）頻穩質量的重要指標，隨著頻標源性能的不斷改善，相應噪聲量值越來越小，因而對相位噪聲譜的測量要求也越來越高。傳統的零拍測量法已面臨嚴重的挑戰，特別是在如何減少測量系統本身的噪聲對測量結果的影響，提高系統的測量靈敏度方面尤為困難。
基本介紹
- 中文名：相位噪聲
- 外文名：Phase noise
- 相位噪聲：是衡量頻率標準源
- 噪聲譜：的測量要求也越來越高
- 測量系統：本身的噪聲對測量結果的影響
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相關背景
類比說明
現象類比：從北京飛往上海的航班排好後，每天按照固定的時刻起飛降落，周而復始。但是一天由於天氣原因，航班無法正常起飛和降落，很多航班相對正常時間都有所延誤（相位的變化），引起了航班安排的混亂。
相位噪聲就是指系統（如各種射頻器件）在各種噪聲的作用下引起的系統輸出信號相位的隨機變化。描述無線電波的三要素是幅度、頻率、相位。頻率和相位相互影響。理想情況下，固定頻率的無線信號波動周期是固定的，正如飛機的正常航班一樣，起飛時間是固定的。頻域內的一個脈衝信號（頻譜寬度接近0）在時域內是一定頻率的正弦波。
但實際情況是信號總有一定的頻譜寬度，而且由於噪聲的影響，偏離中心頻率的很遠處也有該信號的功率，正如有延誤1小時以上的航班一樣；偏離中心頻率很遠處的信號叫做邊帶信號，邊帶信號可能被擠到相鄰的頻率中去，正如延誤的航班可能擠占其他航班的時間，從而使航班安排變得混亂。這個邊帶信號就叫做相位噪聲。
如何描述相位噪聲的大小呢？在偏移中心頻率一定範圍內，單位頻寬內的功率與總信號功率的比，單位為dBc/Hz。如果要評估某一天天氣對航班的影響，也可以用類似的思路，定義晚點1小時以上的航班和航班總數的比例。當然了，這個比例越小越好。射頻器件系統內的熱噪聲可能導致相位噪聲的產生。
相位噪聲的大小可以反映出射頻器件的優劣。在設計和使用射頻器件時，要注意射頻器件對相位噪聲的抑制能力。相位噪聲越小，射頻器件越好。
相位噪聲和抖動是對同一種現象的兩種不同的定量方式。在理想情況下，一個頻率固定的脈衝信號(以1 MHz為例)的持續時間應該恰好是1微秒，每500ns有一個跳變沿。但不幸的是，這種信號並不存在。實際信號的信號周期的長度總會有一定變化，從而導致下一個沿的到來時間不確定。這種不確定就是相位噪聲，或者說抖動。
頻域概念
相位噪聲是對信號時序變化的另一種測量方式，其結果在頻率域內顯示。用一個振盪器信號來解釋相位噪聲。如果沒有相位噪聲，那么振盪器的整個功率都應集中在頻率f=fo處。但相位噪聲的出現將振盪器的一部分功率擴展到相鄰的頻率中去，產生了邊帶(sideband)。從圖2中可以看出，在離中心頻率一定合理距離的偏移頻率處，邊帶功率滾降到1/fm，fm是該頻率偏離中心頻率的差值。
相位噪聲通常定義為在某一給定偏移頻率處的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。一個振盪器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz頻寬內的信號功率與信號的總功率比值。
概念解釋
定義1
相位噪聲是指單位Hz的噪聲密度與信號總功率之比,表現為載波相位的隨機漂移,是評價頻率源(振盪器)頻譜純度的重要指標。
源自: 有線數位電視傳輸特性與故障解析 《中國有線電視》 2005年 趙雨境,王恆江
定義2
相位噪聲是指光的正弦振盪不穩定,時而出現某處相位的隨機跳變.相位噪聲導致光源線寬變寬.光強度噪聲是指因自發輻射光強的隨機變化和外界溫度的變化,導致發射光強的起伏
源自: Fabry-Perot干涉式光纖溫度傳... 《感測器技術》 2001年 曹滿婷
來源文章摘要：分析了溫度對相位的調製作用以及Fabry -Perot干涉結構檢測相位變化的原理 ,提出了一種具有高靈敏度和高解析度的相位調製型全光纖結構 ,並進行了系統的噪聲分析。
定義3
是一隨機量通常把信號的相似隨機起伏中（t）稱為相位噪聲.（t）隨時間變化的隨機過程是一平穩的隨機過程並使隨機量的機率密度分布符合常態分配。
來源文章摘要：有限次（m次）採樣測量的二級方差估值（，m）隨機地偏離其真值<）。這種隨機不確定性不僅和m有關，而且和噪聲的性質有關。計算出單項噪聲所產生的不確定度；分析了多項噪聲對總不確定度的影響，並引用置信度的概念表征測量的不確定度。
定義4
(t)〕sin[2兀ft+小(t)]相位噪聲是指頻率信號中由頻率源內部噪聲調製(調相或調頻)產生的隨機相位起伏.當被測相位噪聲比頻譜分析儀自身的相位噪聲大時,可直接利用頻譜分析儀來測量相位噪聲,這是一種簡單、方便的相位噪聲測量方法
源自: 頻譜分析儀在測量相位噪聲過程中的數值修正 《國外電子測量技術》 2002年 曹芸
來源文章摘要：本文介紹了在使用頻譜分析儀測量相位噪聲時,影響其測量結果的因素並討論了如何對頻譜分析儀輸出結果進行修正。
定義5
則()rk的相角為()kknkqj+q+,其中()nkq是噪聲()nk對相位的干擾,稱為相位噪聲.可見,kq中包含了全部的載波相位信息,kj包含了大量甚至全部的碼字信息
源自: 相位處理載波恢復算法研究 《信息與電子工程》 2003年 袁清升,劉文
來源文章摘要：針對數位訊號傳輸同步接收機的數位化實現,提出一種載波同步新算法即相位處理載波恢復算法。它直接對接收信號的相角進行處理,完成載波頻率的快速捕獲和載波相位跟蹤。理論分析和計算機仿真表明,該算法簡單有效,運算量小,便於用DSP器件來實現,適用性強。
定義6
2個調相邊帶功率之和是總功率的一半,2個調幅邊帶功率之和是總功率的另一半,換句話說,總噪聲功率N0的一半功率轉換到調相邊帶,另一半轉換到調幅邊帶,轉換到調相邊帶的噪聲稱為相位噪聲
源自: 衛星通信系統中相位噪聲之理論及測試 《電信科學》 2000年殷琪
來源文章摘要：本文從相位噪聲的定義出發 ,主要討論衛星通信系統中相位噪聲的來源 ,介紹一種在現場經常使用的、簡便可行的測試相位噪聲的方法———頻譜分析儀測試方法。
定義7
SK解調符號上就會引入相位誤差,該誤差可通稱為相位噪聲,對系統性能產生重要影響.關於相位噪聲對MPSK、MDPSK的影響分析,文獻[8]運用幾何方法推導了AWGN信道中MPSK的條件誤符號率
定義8
相位噪聲一般是指在系統內各種噪聲作用下引起的輸出信號相位的隨機起伏。通常相位噪聲又分為頻率短期穩定度和頻率長期穩定度。所謂頻率短期穩定度, 是指由隨機噪聲引起的相位起伏或頻率起伏。至於因為溫度、老化等引起的頻率慢漂移,則稱之為頻率長期穩定度。通常我們主要考慮的是頻率短期穩定度問題,可以認為相位噪聲就是頻率短期穩定度。
噪聲表征
一個理想的正弦波信號可用下式表示：
V(t)=A0sin2πf0t （1）
V(t)=[A0+ε(t)]sin[2πf0t+j(t)] （2）
在研究相位噪聲的測量時,由於考慮振盪器的幅度噪聲調製功率遠小於相位噪聲調製功率,所以 ε(t) <<A0,通常可以將ε(t)忽略不計,而主要是對j(t)項進行測量,故可以得到：
V(t)=A0sin[2πf0t+j(t)] （3）
對j(t)的測量,可以用各種類型的譜密度來表示。顯然此時的相位起伏為Δj(t)=j(t),頻率起伏為Δf(t)=[dj(t)/dt]/2π。常用的相對頻率起伏：
y(t)=[dj(t)/dt]/2πf0 （4）
σ2y(z)=σ2(2,τ,τ)=(1/v20)(1/2)(y1-y2)2 （5）
式中y1,y2為測量採樣時間τ的相鄰二次測量測得的頻率平均值。
Lp(f)=[PSSB(f)/P0](dBc/Hz) （6）
由（3）及（4）式得相位起伏的自相關函式Rj(τ)=[j(τ),j(t+τ)]和相對頻率起伏的自相關函式Ry(τ)=[y(τ), y(t+τ)],由維納-欽辛定理可知自相關函式和功率譜密度間存在如下關係
表示傅立葉變換對。通常j(t)<<1,近似有
Lp(f)=(1/2)Sj(f)（7）
產生原因
1，相位調製的方法：PSK，DPSK，DQPSK產生
4,非線性相位噪聲的補償：線性和非線性，使用的是MMSE和MAP準則，同一般通信原理中的最小誤碼機率方法的一樣。但其實現較困難的。
5，以上考慮基本上沒有考慮色散和PMD和DWDM中的效應，因此，在實際計算是應該考慮更多，但基本思想還是一樣，就是利用機率來使信號的BER最小。
影響
接收機
電子技術的發展，使器件的噪聲係數越來越低，放大器的動態範圍也越來越大，增益也大有提高，使得電路系統的靈敏度和選擇性及線性度等主要技術指標都得到較好的解決。隨著技術不斷提高，對電路系統又提出了更高的要求，這就要求電路系統必須低相位噪聲，在現代技術中，相位噪聲已成為限制電路系統的主要因素。低相噪對提高電路系統性能起到重要作用。
在現代接收機中，各種高性能，例如大動態、高選擇性、寬頻帶捷變等都受相位噪聲限制。尤其在電磁環境越來越惡劣的情況下，接收機經過混頻從強幹擾信號中提取弱小有用信號是非常重要的。如果在弱小信號鄰近處存在強幹擾信號，這兩種信號經過接收機混頻器，就會產生所謂倒易混頻現象。
看出本振相噪差時，混頻後中頻信號被混頻後的干擾信號所淹沒，如果本振相噪好則信號就能顯露出來，只需有一個好的窄帶濾波器既可有效的濾出信號。如果本振相噪差，即使中頻濾波器能夠濾除強幹擾中頻信號，強幹擾中頻信號的噪聲邊帶仍然淹沒了有用信號，使接收機無法接收到弱小信號，尤其對大動態、高選擇性的接收機，這種現象很明顯。因此要求接收機具有良好的選擇性和大動態，則接收機本振信號的相噪必須好。
通訊系統
相位噪聲好壞對通訊系統有很大影響，尤其現代通訊系統中狀態很多，頻道又很密集，並且不斷的變換，所以對相噪的要求也愈來愈高。如果本振信號的相噪較差，會增加通信中的誤碼率，影響載頻跟蹤精度。
相噪不好不僅增加誤碼率和影響載頻跟蹤精度，還影響通信接收機信道內、外性能測量，相噪對鄰近頻道選擇性的影響。要求接收機選擇性越高，則相噪就必須更好，要求接收機靈敏度越高，相噪也必須更好。
雷達系統
當目標超低空飛行時，雷達面臨著很強的地面雜波，要想從強地雜波中提取信號目標，雷達必須有很高的改善因子。因為這些雜波進入接收機，經混頻後，很難把有用信號與強地物反射波分離開，尤其對低速度運動目標，並接近地面時，發現目標就變得非常困難，這時只有提高雷達改善因子。
為了提高低空檢測能力，提高對低空突防目標的發現能力，頻率源的低相噪非常重要，雷達能從強雜波環境中區分出運動目標，則要求雷達必須全相參產生出極低相噪的發射信號和接收機本振信號及各種相參基準信號，如果改善因子要求大於50dB，頻率源的時域ms頻率穩定度應優於10-10量級，相噪在S波段偏1KHz應優於-105dBc/Hz，100KHz優於-125dBc/Hz。
