无线系统中的 Phase Noise 影响
在无线收发机中,本地振荡器(LO)的相位噪声通过两个主要机制影响系统性能:发射机中破坏邻近信道频谱纯度(ACPR/EVM),接收机中通过 Reciprocal Mixing 将强 blocker 噪声折叠到带内。相位噪声约束往往决定了 VCO 和 PLL 的功耗与面积预算。
前后关系
前置知识:
- Jitter与Phase Noise关系 — 相位噪声定义与频域表示
- 电路中的Jitter与Phase Noise — VCO 相位噪声模型
本书内部链条:
- Ch.8(本文)→ Ch.4 振荡器设计指导 VCO 相位噪声预算
外部关联:
- CT-ΔΣ调制 — CT-ΔΣ 中时钟抖动→系统 SNR 退化(与无线 receive mixer 的类比)
- CT-ΔΣ时间常数变化与时钟抖动 — VCO 相位噪声对 CT-ΔΣ 的影响
- ΔΣ调制器性能FoM — VCO FoM 与无线系统需求
原理介绍
无线收发机基础架构
发射机:
[DSP] → [DAC] → [LPF] → [Mixer Up] → [PA] → 天线
↑
LO (含相位噪声)
接收机:
天线 → [LNA] → [Mixer Down] → [LPF] → [ADC] → [DSP]
↑
LO (含相位噪声)
发射机 VCO 相位噪声需求
邻近信道泄漏
发射频谱中 LO 相位噪声将部分功率扩展到了邻近信道:
其中 是从载波到邻近信道的频率偏移。
约束方程:
例如(LTE):ACLR 需 < -45dBc → VCO 在 5-20MHz 偏移的相位噪声需 < -155dBc/Hz
ACPR(Adjacent Channel Power Ratio)
- ACPR = 信道内功率 / 邻近信道功率
- LO 相位噪声 + PA 非线性共同决定 ACPR
- 相位噪声主导时:ACPR 正比于
EVM(Error Vector Magnitude)
LO 相位噪声导致解调星座点旋转(phase error):
- 高频偏移相位噪声影响 EVM 的噪声项
- 低频偏移影响跟踪误差(被 PLL 跟踪或载波恢复跟踪)
接收机 Reciprocal Mixing(倒易混频)
问题描述
接收机 LO 含相位噪声 → 下混频时不仅将目标信道搬移到基带,也将强 blocker 的相位噪声边带混入基带:
天线输入:
[目标信号] [强Blocker]
| |
v v
LO (含PN) → 混频器 → 基带输出包含:
(1) 目标信号 × LO (无影响)
(2) Blocker × LO的相位噪声边带 → 带内噪声
定量分析
基带解调后的倒易混频噪声功率:
- :强干扰信号功率
- :LO 相位噪声谱
- :目标信号带宽
SNR 退化:
设计示例
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 目标信号 | -90 dBm |
| Blocker | -30 dBm(比信号强 60dB) |
| LO 带宽内积分相位噪声 | -150 dBc/Hz × 20MHz = -57 dBc |
| -30 + (-57) = -87 dBm | |
| 热噪声(NF=3dB, BW=20MHz) | -101 dBm |
| 总噪声 | -87 dBm(倒易混频主导) |
| SNR | 3 dB(严重退化) |
结论:LO 相位噪声必须足够低,使得 ,否则接收机灵敏度被倒易混频限制。
缓解策略
- 低相位噪声 VCO:高 Q 谐振腔(LC)或外部参考
- PLL 带宽优化:带内跟踪参考 jitter,带外由 VCO 自噪声决定
- 频率规划:避免 blocker 落在 LO 相位噪声峰值偏移处
- 干扰抵消:数字辅助抵消
- N-path 滤波器:在混频前衰减 blocker
接收机灵敏度与相位噪声
灵敏度公式
相位噪声的影响:
- 倒易混频等效于增加了噪声系数
- (级联噪声)
级联 NF 公式
- LNA 增益 抑制后续级噪声
- 但倒易混频噪声在混频器处注入,不能被 LNA 增益抑制
- 因此 LO 相位噪声是接收机灵敏度的累积性限制因素
实际系统相位噪声需求
| 标准 | 频率范围 | 相位噪声需求 | 主要考量 |
|---|---|---|---|
| GSM | 900/1800 MHz | -162 dBc/Hz @ 3MHz | Blocker 抑制 |
| LTE | 700-3800 MHz | -155~-160 dBc/Hz @ 20MHz | ACLR + 灵敏度 |
| Wi-Fi 802.11ac | 2.4/5 GHz | -105 dBc/Hz @ 1MHz | EVM |
| Bluetooth | 2.4 GHz | -105 dBc/Hz @ 2MHz | 邻近信道 |
| 5G NR | 3.5/28/39 GHz | -150~-160 dBc/Hz @ 100MHz | 更宽的 BW |
参考文献
- Da Dalt, N., & Sheikholeslami, A. (2018). Understanding Jitter and Phase Noise, Ch.8. Cambridge University Press.
- Razavi, B. (1998). RF Microelectronics. Prentice Hall. [无线收发机基础]
- Lee, T. H. (2004). The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits (2nd ed.). Cambridge University Press.
- Hajimiri, A., & Lee, T. H. (1998). “A General Theory of Phase Noise in Electrical Oscillators.” IEEE JSSC, 33(2), 179-194.
- Rogers, J. W. M., & Plett, C. (2010). Radio Frequency Integrated Circuit Design (2nd ed.). Artech House.
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