相位噪声指标

nanshan1981

系统相位噪声的指标是如何提出来的？盼赐教，谢谢。

nanshan1981

系统相位噪声的指标是如何提出来的？盼赐教，谢谢。

snow99

一般来说, 接收机的相位噪声由抗阻塞特性决定(特定频偏的相位噪声要求), 发射机的相位噪声由EVM(或相位误差, 如GSM系统)决定(带内相位噪声要求).
[br]<p align=right><font color=red>+3 RD币</font></p>

nanshan1981

snow99兄:接收机的相位噪声由抗阻塞特性决定[/COLOR](特定频偏的相位噪声要求), 我看不明白.[em10]

snow99

举个例子说明800MHz CDMA手机接收(参看IS-98标准)
你可以这样想, 所有的接收机的参数要求, 不管是GAIN, NF, 还是IP3 等等, 都是为了一个目的---实现一定的信噪比SNR从而能够对信号进行解调. 不论是灵敏度, 动态范围还是在有干扰信号条件下, 解调是接收机要达到的目的.
对CDMA手机接收机来说, 解调需要的SNR = -1.5 dB (大约值)
IS-98里面有一个单音(Single tone)测试, 是测试CDMA接收机在一个单音强干扰情况下的性能. CDMA接收机灵敏度最低要求-104 dBm(带宽1.25 MHz). 也就是说在最差NF条件下, 热噪声功率 = -104 - SNR = -102.5 dBm/1.25MHz

单音测试条件如下
CDMA信号功率 = -101 dBm/1.25MHz
单音频偏 = 900 KHz
单音功率 = -30 dBm

如图所示, 不管是有中频还是零中频结构, 信号和LO混频后落在有用带宽内, 单音和LO混频后还是会落在900 KHz处(会被中频或基带滤波器滤除), 单音和LO的相位噪声混频后(称为reciprocal mxing, 有人翻译为倒易混频, 即把单音当作一个本振信号, 把LO的相位噪声当作一个宽带信号进行混频, "倒易"意指单音和LO角色互换[/COLOR])的产物会落在有用带宽内, 这种噪声迭加在热噪声之上, 引起系统SNR下降. 接收机系统相位噪声的指标可以由此得出.

因为单音测试主要由双工器隔离度, LNA IP3和相位噪声决定, 因此计算相位噪声的指标要留裕量给其它指标(这里用 6 dB).
根据上面的计算, 我们可以对相位噪声提一个指标: 在900 KHz频偏处要求-139 dBc/Hz.
另外, 1900MHz CDMA的单音测试要求是1.25 MHz频偏, 其它都一样, 因此我们同样可以得出1900MHz CDMA接收机相位噪声指标: 在1.25 MHz频偏处要求-139 dBc/Hz

[upload=jpg]UploadFile/2007-2/0721@52RD_reciprocal_mixing.JPG[/upload]

snow99

另外给你看一个GSM LO分析的文章, 这是我N年以前看了一些资料后写的小结. 现在看起来有点过时了, 不过基本思路可以参考一下. 有些英文翻译得不是很标准, 可能还有些计算错误(如果发现错误, 就跳过去, 不要问我).

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GSM手机中的本振参数分析




本文基于一个工作在GSM900/DCS1800/PCS1900频段并支持GPRS/EDGE模式的收发器(Transceiver)，讨论其对本振(LO)模块的要求。

发射机采用I/Q中频以及高频锁相环调制。接收机采用零中频(Zero IF, Direct Conversion Receiver, DCR)方案。锁相环采用分数(N)频率合成器(Fractional-N Synthesizer)为收发模块提供本振。


一. 频率规划

频率规划的目标是只用一个VCO产生所有本振频率。先看看接收机。接收机用零中频，接收频率与本振相等。

                           接收频率             倍频系数                LO频率
        EGSM       925-960 MHz             3/2                 1372.5-1440 MHz
        DCS        1805-1880 MHz           3/4                 1353.75-1410 MHz
        PCS        1930-1990 MHz           3/4                 1447.5-1492.5 MHz

EGSM频段的本振经过三分频再二倍频得到，DCS/PCS频段的本振经过三分频再四倍频得到。对接收机来说，VCO的频率范围是 1353.75 MHz 到 1492.5 MHz。

发射机的频率规划理解起来有点复杂。如果本振选择高端注入，需满足以下几个公式

(1)
               LO/3/N = (2*LO/3-TX RF)/R       GSM
              2*LO/3/N = (4*LO/3-TX RF)/R       DCS/PCS

这里N是一个9到12之间的整数，R等于1或者2。

(2) 本振信号和锁相环的比较频率的高次谐波之间差拍使分数(N)频率合成器产生杂散频率(Spur)，这种杂散频率将会以调制在本振上的形式出现并最终进入发射信号频谱。频率规划要考虑这种情况，使得杂散频率离中心频率越远越好。

                Spur = |LO-n*Fcomp|

其中n为整数。基本上Spur要大于 1.8 MHz，至少也要有 1.2 MHz。

(3) 三个频段的发射机的中频最好都选在一个比较窄的范围

             TX IF = (2*LO/3-TX RF)     GSM
             TX IF = (4*LO/3-TX RF)     DCS/PCS

如果参考频率选 13 MHz 的TCXO，并要求Spur大于 1.8 MHz，

                                发射频率             中频范围                  LO频率
        EGSM       885-915 MHz           98-115 MHz               1485-1544 MHz
        DCS        1710-1785 MHz         90-105 MHz               1355-1415 MHz
        PCS        1850-1910 MHz         97-113 MHz               1460-1517 MHz

如果参考频率选 19.5 MHz 的TCXO，并要求Spur大于 1.2 MHz，

                                发射频率             中频范围                  LO频率
        EGSM       885-915 MHz           82-100 MHz               1465-1500 MHz
        DCS        1710-1785 MHz         82-101 MHz               1355-1403 MHz
        PCS        1850-1910 MHz         82-101 MHz               1454-1496 MHz




二. 本振杂散响应 (Spurious Levels)


1. 接收机的要求

(i) 接收机阻塞性能 (Blocking Performance)   

有用信号在参考灵敏度(Ref_Sens = -100 dBm for DCS, Ref_Sens = -102 dBm for GSM & PCS) 3 dB 以上，阻塞信号频偏为 200 KHz 的整数倍，功率由下表给定


                     频偏 |f-f0|                        GSM                    DCS/PCS
        带内
            600KHz=<|f-f0|<800KHz          -43                         -43
            800KHz=<|f-f0|<1.6MHz          -43                          -43
            1.6MHz=<|f-f0|<3MHz              -33                         -33
            3MHz=<|f-f0|<800KHz             -23                          -26
        
        带外
            (a)                     0                           0
            (b)                                                -12
            (c)                                                -12
            (d)                     0                           0


其中    (a) 指 0.1 到 915MHz (GSM)， 0.1 到 1705MHz (DCS/PCS)
            (b) 指 1705 到 1785MHz (DCS/PCS)
            (c) 指 1920 到 1980MHz (DCS/PCS)
            (d) 指 980 到 12,750MHz (GSM)， 1980 到 12,750MHz (DCS/PCS)


以下假定带外阻塞信号经过滤波器衰减后，在混频器输入端表现出与带内阻塞信号一样的电平。那么，阻塞信号与有用信号的差值(dBc)是

            Blocker (in dBc) = Blocker (in dBm) - [Ref_Sens (in dBm) + 3]


            频偏 |f-f0|               GSM                  DCS                   PCS
                                    Blocker (dBc)       Blocker (dBc)      Blocker (dBc)
          600-1400 KHz           56                       54                      56
          1.6-2.8 MHz               66                       64                      66
          >= 3 MHz                   76                       71                      73


设计接收机时要满足参考灵敏度的要求(信噪比 SNR = 7 dB)。在有用信号比参考灵敏度高 3 dB 的情况下，交互混频噪声比有用信号低 10 dB 正好能满足 SNR = 7 dB 的要求(总的噪声功率等于不存在阻塞情况下的噪声加上交互混频噪声)。也就是说，在 200 KHz 的噪声带宽上，本振的杂散响应与本振功率的差值 (dBc/200KHz) 是

                Spur_max (dBc/200KHz) = - Blocker (in dBc) - 10

或者相对噪声功率密度 (LO noise) (dBc/Hz) [主要成分是相位噪声 Phase noise]

               Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/200KHz) - 10*LOG(200*1000)

根据以上公式，接收机阻塞特性对本振的杂散响应要求见下表


        频偏 |f-f0|             最大杂散功率 (dBc/200KHz)            最大噪声功率 (dBc/Hz)
                                       GSM        DCS         PCS              GSM        DCS         PCS
        600-1400 KHz        -66          -64            -66               -119        -117          -119
        1.6-2.8 MHz           -76          -74            -76               -129        -127           -129
        >= 3 MHz               -86          -81            -83               -139        -134           -136



(ii) 邻频道干扰 (Adjacent channel interference)

邻频道干扰与有用信号的相对值如下


            频偏             Unwanted level (dBc)
            200 KHz               9
            400 KHz               41
            600 KHz               49


邻频道干扰与本振的杂散响应混频的产物应该比有用信号低 9 dB，如果还考虑 4 dB 的设计余量，那么在 200 KHz 的噪声带宽上，本振的杂散响应与本振功率的差值是

               Spur_max (dBc/200KHz) = - Adjacent (in dBc) - ( 9 + 4 )
               Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/200KHz) - 10*LOG(200*1000)

根据以上公式，接收机邻频道干扰特性对本振的杂散响应要求见下表


            频偏         最大杂散功率 (dBc/200KHz)             最大噪声功率 (dBc/Hz)
        200 KHz                   -22                                                     -75
        400 KHz                   -54                                                     -107
        600 KHz                   -62                                                     -115



2. 发射机的要求

由于发射机采用锁相环调制，所有频偏大于锁相环环路带宽的杂散响应将会被衰减，本文中将不会考虑频偏大于 6 MHz 的本振杂散响应。

(i) 调制频谱 (Modulation spectrum)

发射机调制频谱的规定见下表

        测量时频谱仪设置
        Zero frequency span, 30 KHz resolution bandwidth, 30 KHz video bandwidth, video averaging


        频偏(KHz)     0±100        ±200         ±250        ±400       ±600到±1800

        相对功率       +0.5           -30            -33           -60             -60
        (dBc)

        绝对功率       -36            -36            -36           -36             -51
        GSM(dBm)

        绝对功率       -36            -36            -36           -36             -56
        DCS(dBm)


讨论中不分GSM或DCS，而是考虑最坏情况。如果考虑 10 dB 的设计余量，那么在 30 KHz 的噪声带宽上，本振的杂散响应与本振功率的差值是

          Spur_max (dBc/30KHz) = Modulation (dBc) - 10

因为调制频谱受到很多其它因素的影响,本振的相位噪声和杂散响应的贡献只是其中一部分，所以要考虑设计余量。

对于相位噪声的规定需要更多的余量。测量传输功率时采用 30 KHz 的分辨率带宽，测量结果比实际功率低 8 dB 左右，因为整个传输带宽是 200 KHz。考虑到其它因素的影响，本振相位噪声在 400 KHz 到 1800 KHz 再加上 6 dB 的余量，在 1800 KHz 以上再加上 3 dB 的余量。

        |f-f0|<400KHz                    Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/30KHz) - 10*LOG(30*1000)
        400KHz≤|f-f0|<1800KHz   Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/30KHz) - 10*LOG(30*1000) - 6
        1800KHz≤|f-f0|                  Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/30KHz) - 10*LOG(30*1000) - 3

对本振的具体要求见下表


        频偏                  最大杂散功率 (dBc/30KHz)             最大噪声功率 (dBc/Hz)
        100 KHz                 -10                                                       -55
        200 KHz                 -40                                                       -85
        250 KHz                 -43                                                       -88
        400-1800 KHz        -70                                                      -121
        ≥1800 KHz             -75                                                      -128


(ii) 开关频谱 (Switching spectrum)

发射频谱由于开关特性而引起的频谱扩展要满足以下规定(见GSM 05.05，GSM 11.10不再有这样严格)。

        测量时频谱仪设置
        30 KHz resolution bandwidth, 100 KHz video bandwidth, peak hold

           频偏(KHz)                最高测量功率(dBm)
            400                                  -23
            600                                  -26
            1200                                -32
            1800                                -36

在以最大功率传输时(DCS/PCS 30 dBm, GSM 33 dBm)，如果考虑 10 dB 的设计余量，那么在 30 KHz 的噪声带宽上，本振的杂散响应与本振功率的差值是

         Spur_max (dBc/30KHz) = Switching (dBm) - Power_max (dBm) - 10
         Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/30KHz) - 10*LOG(30*1000)

对本振的具体要求见下表


        频偏              最大杂散功率 (dBc/30KHz)             最大噪声功率 (dBc/Hz)
                                  DCS/PCS           GSM                    DCS/PCS          GSM
        100 KHz              -63                   -66                         -108                -111
        600 KHz              -66                   -69                         -111                -114
        1200 KHz            -72                   -75                         -117                -120
        1800 KHz            -76                   -79                         -121                -124


(iii) 发射机杂散辐射 (Transmitter spurious emissions)

发射机杂散辐射在这种情况下只与频偏超过 6 MHz 的本振响应相关。如果在 30 KHz 带宽上采用 peak hold 的方法测量，在频偏大于 1800 KHz 时，DCS/PCS的发射机杂散辐射不能超过 -30 dBm，而GSM是 -36 dBm。在以最大功率传输时(DCS/PCS 30 dBm, GSM 33 dBm)，如果考虑 10 dB 的设计余量，那么在 30 KHz 的噪声带宽上，本振的杂散响应与本振功率的差值是

         Spur_max (dBc/30KHz) = Spurious (dBm) - Power_max (dBm) - 10
         Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/30KHz) - 10*LOG(30*1000)

对本振的具体要求见下表


        频偏              最大杂散功率 (dBc/30KHz)             最大噪声功率 (dBc/Hz)
                                  DCS/PCS           GSM                    DCS/PCS          GSM
        1800 KHz             -70                   -79                         -115                -124




3. 综上所述，对本振频谱的要求如下


        频偏                  最大杂散功率 (dBc)                 最大噪声功率 (dBc/Hz)
                               GSM       DCS       PCS               GSM       DCS       PCS
        ≤10KHz*)        -40*)     -40*)     -40*)              -73*)       -73*)     -73*)
        ≥100KHz* )     -40*)     -40*)     -40*)              -93*)       -93*)     -93*)
        ≥200KHz         -40         -40        -40                 -85          -85         -85
        ≥250KHz         -43         -43        -43                 -88          -88         -88
        ≥400KHz         -70         -70        -70                 -121        -121       -121
        ≥1200KHz       -75         -72        -72                 -121        -121       -121
        ≥1600KHz       -76         -74        -76                 -129        -127       -129
        ≥1800KHz       -81         -79        -79                 -129        -128       -129
        ≥3MHz             -86         -81        -83                -139         -134      -136

*) 在 10 到 100 KHz 的要求并非由以上讨论而来，而是下一节相位误差的要求。




三. 均方根相位误差 (RMS phase error)

发射机均方根相位误差和接收机阻塞特性主要由频率合成器的相位噪声决定。GSM系统要求发射机均方根相位误差不超过5度，市面上的产品一般做到2.2度左右。考虑 25 KHz 环路带宽和实际的VCO的相位噪声特性，要求频率合成器在频偏 100 KHz 的相位噪声为 -84 dBc/Hz，能达到1.2度的相位误差。

均方根相位误差(Φ)等于对相位噪声功率谱从 100 Hz 到 100 KHz 的积分。

                Φ^2 = 2 * ∫P(f) df

积分下限取 100 Hz 是由突发(Burst)传输的时间长度决定的。缓慢的相位变化不会影响突发传输的相位。积分上限是频道带宽。

在频偏 400 KHz 的相位噪声对调制频谱影响很大。GSM系统要求 -60 dBc (在 30 KHz resolution bandwidth 测量)，也就是 -105 dBc/Hz。考虑到GMSK的频谱扩展，在 30 KHz 带宽上测出的功率比 200 KHz 的总功率低 8-10 dB，相位噪声应该低于 -115 dBc/Hz。如果忽略频率合成器在频偏 400 KHz (如果环路带宽为 30 KHz 左右)对相位噪声的贡献，VCO的相位噪声将占主导地位并且应该低于 -125 dBc/Hz。这样的要求将会为分数(N)频率合成器的其余部分的贡献留下余量。



四. 锁定时间 (Settling time)

对普通的GSM应用来说，频率合成器有一个时隙(542 μsec)长的时间使本振稳定下来。因此到 100 Hz 的锁定时间应该小于542 μsec。但实际上，更快的锁定时间可以让频率合成器晚一些启动，从而达到省电的目的。

对级别1到12的GPRS应用来说，频率合成器只有半个时隙长的时间使本振稳定下来，因此锁定时间应该小于250 μsec。这样的要求将使得环路带宽增加到 30 KHz，或者 45 KHz，并且仍旧要达到同样的相位噪声要求，这对频率合成器的设计提出了一些挑战。



五. VCO pushing figure

VCO pushing figure应该好于 ±1 MHz/0.1 V。

从第二节里可以看到，在频偏 400 KHz 的频率合成器相位噪声是 -121 dBc/Hz。总的相位噪声由参考频率源的相位噪声，VCO相位噪声，频率合成器ΣΔ调制器噪声和分频器/鉴相器的噪声组成。参考频率源的相位噪声很小，锁相环的相位噪声主要是VCO相位噪声和分频器/鉴相器的噪声的贡献。

其中VCO相位噪声包括了由电源引起的部分，电源的噪声将会转化为VCO相位噪声，一般以pushing figure来度量。假定电源噪声密度是 Vn，VCO灵敏度是 Kv，那么在 1Hz 带宽内产生的RMS频偏是 Kv*Vn，在某一个频偏 F 处，峰值相位偏移是

         θd = sqrt(2)*Kv*Vn/F

因此，由电源贡献的相位噪声是

         PN(F) = 20*LOG[J1(θd)/J0(θd)]

其中 Jn(x) 是n阶Bessel函数。

一般的电源滤波采用RC低通，比如一个 R = 10 ohm 和 C = 3.3 uF 的电源滤波将使VCO的相位噪声显著下降。


作者注： 本文仅供参考，不作为设计的依据。

nanshan1981

谢谢.真是热心人.

tarrien

挺不错的文章，谢谢！！！

snow99

一般来说, 接收机的相位噪声由抗阻塞特性决定(特定频偏的相位噪声要求), 发射机的相位噪声由EVM(或相位误差, 如GSM系统)决定(带内相位噪声要求).
[br]<p align=right><font color=red>+3 RD币</font></p>

nanshan1981

snow99兄:接收机的相位噪声由抗阻塞特性决定[/COLOR](特定频偏的相位噪声要求), 我看不明白.[em10]

snow99

举个例子说明800MHz CDMA手机接收(参看IS-98标准)
你可以这样想, 所有的接收机的参数要求, 不管是GAIN, NF, 还是IP3 等等, 都是为了一个目的---实现一定的信噪比SNR从而能够对信号进行解调. 不论是灵敏度, 动态范围还是在有干扰信号条件下, 解调是接收机要达到的目的.
对CDMA手机接收机来说, 解调需要的SNR = -1.5 dB (大约值)
IS-98里面有一个单音(Single tone)测试, 是测试CDMA接收机在一个单音强干扰情况下的性能. CDMA接收机灵敏度最低要求-104 dBm(带宽1.25 MHz). 也就是说在最差NF条件下, 热噪声功率 = -104 - SNR = -102.5 dBm/1.25MHz

单音测试条件如下
CDMA信号功率 = -101 dBm/1.25MHz
单音频偏 = 900 KHz
单音功率 = -30 dBm

如图所示, 不管是有中频还是零中频结构, 信号和LO混频后落在有用带宽内, 单音和LO混频后还是会落在900 KHz处(会被中频或基带滤波器滤除), 单音和LO的相位噪声混频后(称为reciprocal mxing, 有人翻译为倒易混频, 即把单音当作一个本振信号, 把LO的相位噪声当作一个宽带信号进行混频, "倒易"意指单音和LO角色互换[/COLOR])的产物会落在有用带宽内, 这种噪声迭加在热噪声之上, 引起系统SNR下降. 接收机系统相位噪声的指标可以由此得出.

因为单音测试主要由双工器隔离度, LNA IP3和相位噪声决定, 因此计算相位噪声的指标要留裕量给其它指标(这里用 6 dB).
根据上面的计算, 我们可以对相位噪声提一个指标: 在900 KHz频偏处要求-139 dBc/Hz.
另外, 1900MHz CDMA的单音测试要求是1.25 MHz频偏, 其它都一样, 因此我们同样可以得出1900MHz CDMA接收机相位噪声指标: 在1.25 MHz频偏处要求-139 dBc/Hz

[upload=jpg]UploadFile/2007-2/0721@52RD_reciprocal_mixing.JPG[/upload]

snow99

另外给你看一个GSM LO分析的文章, 这是我N年以前看了一些资料后写的小结. 现在看起来有点过时了, 不过基本思路可以参考一下. 有些英文翻译得不是很标准, 可能还有些计算错误(如果发现错误, 就跳过去, 不要问我).

====================================================================

GSM手机中的本振参数分析




本文基于一个工作在GSM900/DCS1800/PCS1900频段并支持GPRS/EDGE模式的收发器(Transceiver)，讨论其对本振(LO)模块的要求。

发射机采用I/Q中频以及高频锁相环调制。接收机采用零中频(Zero IF, Direct Conversion Receiver, DCR)方案。锁相环采用分数(N)频率合成器(Fractional-N Synthesizer)为收发模块提供本振。


一. 频率规划

频率规划的目标是只用一个VCO产生所有本振频率。先看看接收机。接收机用零中频，接收频率与本振相等。

                           接收频率             倍频系数                LO频率
        EGSM       925-960 MHz             3/2                 1372.5-1440 MHz
        DCS        1805-1880 MHz           3/4                 1353.75-1410 MHz
        PCS        1930-1990 MHz           3/4                 1447.5-1492.5 MHz

EGSM频段的本振经过三分频再二倍频得到，DCS/PCS频段的本振经过三分频再四倍频得到。对接收机来说，VCO的频率范围是 1353.75 MHz 到 1492.5 MHz。

发射机的频率规划理解起来有点复杂。如果本振选择高端注入，需满足以下几个公式

(1)
               LO/3/N = (2*LO/3-TX RF)/R       GSM
              2*LO/3/N = (4*LO/3-TX RF)/R       DCS/PCS

这里N是一个9到12之间的整数，R等于1或者2。

(2) 本振信号和锁相环的比较频率的高次谐波之间差拍使分数(N)频率合成器产生杂散频率(Spur)，这种杂散频率将会以调制在本振上的形式出现并最终进入发射信号频谱。频率规划要考虑这种情况，使得杂散频率离中心频率越远越好。

                Spur = |LO-n*Fcomp|

其中n为整数。基本上Spur要大于 1.8 MHz，至少也要有 1.2 MHz。

(3) 三个频段的发射机的中频最好都选在一个比较窄的范围

             TX IF = (2*LO/3-TX RF)     GSM
             TX IF = (4*LO/3-TX RF)     DCS/PCS

如果参考频率选 13 MHz 的TCXO，并要求Spur大于 1.8 MHz，

                                发射频率             中频范围                  LO频率
        EGSM       885-915 MHz           98-115 MHz               1485-1544 MHz
        DCS        1710-1785 MHz         90-105 MHz               1355-1415 MHz
        PCS        1850-1910 MHz         97-113 MHz               1460-1517 MHz

如果参考频率选 19.5 MHz 的TCXO，并要求Spur大于 1.2 MHz，

                                发射频率             中频范围                  LO频率
        EGSM       885-915 MHz           82-100 MHz               1465-1500 MHz
        DCS        1710-1785 MHz         82-101 MHz               1355-1403 MHz
        PCS        1850-1910 MHz         82-101 MHz               1454-1496 MHz




二. 本振杂散响应 (Spurious Levels)


1. 接收机的要求

(i) 接收机阻塞性能 (Blocking Performance)   

有用信号在参考灵敏度(Ref_Sens = -100 dBm for DCS, Ref_Sens = -102 dBm for GSM & PCS) 3 dB 以上，阻塞信号频偏为 200 KHz 的整数倍，功率由下表给定


                     频偏 |f-f0|                        GSM                    DCS/PCS
        带内
            600KHz=<|f-f0|<800KHz          -43                         -43
            800KHz=<|f-f0|<1.6MHz          -43                          -43
            1.6MHz=<|f-f0|<3MHz              -33                         -33
            3MHz=<|f-f0|<800KHz             -23                          -26
        
        带外
            (a)                     0                           0
            (b)                                                -12
            (c)                                                -12
            (d)                     0                           0


其中    (a) 指 0.1 到 915MHz (GSM)， 0.1 到 1705MHz (DCS/PCS)
            (b) 指 1705 到 1785MHz (DCS/PCS)
            (c) 指 1920 到 1980MHz (DCS/PCS)
            (d) 指 980 到 12,750MHz (GSM)， 1980 到 12,750MHz (DCS/PCS)


以下假定带外阻塞信号经过滤波器衰减后，在混频器输入端表现出与带内阻塞信号一样的电平。那么，阻塞信号与有用信号的差值(dBc)是

            Blocker (in dBc) = Blocker (in dBm) - [Ref_Sens (in dBm) + 3]


            频偏 |f-f0|               GSM                  DCS                   PCS
                                    Blocker (dBc)       Blocker (dBc)      Blocker (dBc)
          600-1400 KHz           56                       54                      56
          1.6-2.8 MHz               66                       64                      66
          >= 3 MHz                   76                       71                      73


设计接收机时要满足参考灵敏度的要求(信噪比 SNR = 7 dB)。在有用信号比参考灵敏度高 3 dB 的情况下，交互混频噪声比有用信号低 10 dB 正好能满足 SNR = 7 dB 的要求(总的噪声功率等于不存在阻塞情况下的噪声加上交互混频噪声)。也就是说，在 200 KHz 的噪声带宽上，本振的杂散响应与本振功率的差值 (dBc/200KHz) 是

                Spur_max (dBc/200KHz) = - Blocker (in dBc) - 10

或者相对噪声功率密度 (LO noise) (dBc/Hz) [主要成分是相位噪声 Phase noise]

               Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/200KHz) - 10*LOG(200*1000)

根据以上公式，接收机阻塞特性对本振的杂散响应要求见下表


        频偏 |f-f0|             最大杂散功率 (dBc/200KHz)            最大噪声功率 (dBc/Hz)
                                       GSM        DCS         PCS              GSM        DCS         PCS
        600-1400 KHz        -66          -64            -66               -119        -117          -119
        1.6-2.8 MHz           -76          -74            -76               -129        -127           -129
        >= 3 MHz               -86          -81            -83               -139        -134           -136



(ii) 邻频道干扰 (Adjacent channel interference)

邻频道干扰与有用信号的相对值如下


            频偏             Unwanted level (dBc)
            200 KHz               9
            400 KHz               41
            600 KHz               49


邻频道干扰与本振的杂散响应混频的产物应该比有用信号低 9 dB，如果还考虑 4 dB 的设计余量，那么在 200 KHz 的噪声带宽上，本振的杂散响应与本振功率的差值是

               Spur_max (dBc/200KHz) = - Adjacent (in dBc) - ( 9 + 4 )
               Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/200KHz) - 10*LOG(200*1000)

根据以上公式，接收机邻频道干扰特性对本振的杂散响应要求见下表


            频偏         最大杂散功率 (dBc/200KHz)             最大噪声功率 (dBc/Hz)
        200 KHz                   -22                                                     -75
        400 KHz                   -54                                                     -107
        600 KHz                   -62                                                     -115



2. 发射机的要求

由于发射机采用锁相环调制，所有频偏大于锁相环环路带宽的杂散响应将会被衰减，本文中将不会考虑频偏大于 6 MHz 的本振杂散响应。

(i) 调制频谱 (Modulation spectrum)

发射机调制频谱的规定见下表

        测量时频谱仪设置
        Zero frequency span, 30 KHz resolution bandwidth, 30 KHz video bandwidth, video averaging


        频偏(KHz)     0±100        ±200         ±250        ±400       ±600到±1800

        相对功率       +0.5           -30            -33           -60             -60
        (dBc)

        绝对功率       -36            -36            -36           -36             -51
        GSM(dBm)

        绝对功率       -36            -36            -36           -36             -56
        DCS(dBm)


讨论中不分GSM或DCS，而是考虑最坏情况。如果考虑 10 dB 的设计余量，那么在 30 KHz 的噪声带宽上，本振的杂散响应与本振功率的差值是

          Spur_max (dBc/30KHz) = Modulation (dBc) - 10

因为调制频谱受到很多其它因素的影响,本振的相位噪声和杂散响应的贡献只是其中一部分，所以要考虑设计余量。

对于相位噪声的规定需要更多的余量。测量传输功率时采用 30 KHz 的分辨率带宽，测量结果比实际功率低 8 dB 左右，因为整个传输带宽是 200 KHz。考虑到其它因素的影响，本振相位噪声在 400 KHz 到 1800 KHz 再加上 6 dB 的余量，在 1800 KHz 以上再加上 3 dB 的余量。

        |f-f0|<400KHz                    Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/30KHz) - 10*LOG(30*1000)
        400KHz≤|f-f0|<1800KHz   Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/30KHz) - 10*LOG(30*1000) - 6
        1800KHz≤|f-f0|                  Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/30KHz) - 10*LOG(30*1000) - 3

对本振的具体要求见下表


        频偏                  最大杂散功率 (dBc/30KHz)             最大噪声功率 (dBc/Hz)
        100 KHz                 -10                                                       -55
        200 KHz                 -40                                                       -85
        250 KHz                 -43                                                       -88
        400-1800 KHz        -70                                                      -121
        ≥1800 KHz             -75                                                      -128


(ii) 开关频谱 (Switching spectrum)

发射频谱由于开关特性而引起的频谱扩展要满足以下规定(见GSM 05.05，GSM 11.10不再有这样严格)。

        测量时频谱仪设置
        30 KHz resolution bandwidth, 100 KHz video bandwidth, peak hold

           频偏(KHz)                最高测量功率(dBm)
            400                                  -23
            600                                  -26
            1200                                -32
            1800                                -36

在以最大功率传输时(DCS/PCS 30 dBm, GSM 33 dBm)，如果考虑 10 dB 的设计余量，那么在 30 KHz 的噪声带宽上，本振的杂散响应与本振功率的差值是

         Spur_max (dBc/30KHz) = Switching (dBm) - Power_max (dBm) - 10
         Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/30KHz) - 10*LOG(30*1000)

对本振的具体要求见下表


        频偏              最大杂散功率 (dBc/30KHz)             最大噪声功率 (dBc/Hz)
                                  DCS/PCS           GSM                    DCS/PCS          GSM
        100 KHz              -63                   -66                         -108                -111
        600 KHz              -66                   -69                         -111                -114
        1200 KHz            -72                   -75                         -117                -120
        1800 KHz            -76                   -79                         -121                -124


(iii) 发射机杂散辐射 (Transmitter spurious emissions)

发射机杂散辐射在这种情况下只与频偏超过 6 MHz 的本振响应相关。如果在 30 KHz 带宽上采用 peak hold 的方法测量，在频偏大于 1800 KHz 时，DCS/PCS的发射机杂散辐射不能超过 -30 dBm，而GSM是 -36 dBm。在以最大功率传输时(DCS/PCS 30 dBm, GSM 33 dBm)，如果考虑 10 dB 的设计余量，那么在 30 KHz 的噪声带宽上，本振的杂散响应与本振功率的差值是

         Spur_max (dBc/30KHz) = Spurious (dBm) - Power_max (dBm) - 10
         Noise_max (dBc/Hz) = Spur_max (dBc/30KHz) - 10*LOG(30*1000)

对本振的具体要求见下表


        频偏              最大杂散功率 (dBc/30KHz)             最大噪声功率 (dBc/Hz)
                                  DCS/PCS           GSM                    DCS/PCS          GSM
        1800 KHz             -70                   -79                         -115                -124




3. 综上所述，对本振频谱的要求如下


        频偏                  最大杂散功率 (dBc)                 最大噪声功率 (dBc/Hz)
                               GSM       DCS       PCS               GSM       DCS       PCS
        ≤10KHz*)        -40*)     -40*)     -40*)              -73*)       -73*)     -73*)
        ≥100KHz* )     -40*)     -40*)     -40*)              -93*)       -93*)     -93*)
        ≥200KHz         -40         -40        -40                 -85          -85         -85
        ≥250KHz         -43         -43        -43                 -88          -88         -88
        ≥400KHz         -70         -70        -70                 -121        -121       -121
        ≥1200KHz       -75         -72        -72                 -121        -121       -121
        ≥1600KHz       -76         -74        -76                 -129        -127       -129
        ≥1800KHz       -81         -79        -79                 -129        -128       -129
        ≥3MHz             -86         -81        -83                -139         -134      -136

*) 在 10 到 100 KHz 的要求并非由以上讨论而来，而是下一节相位误差的要求。




三. 均方根相位误差 (RMS phase error)

发射机均方根相位误差和接收机阻塞特性主要由频率合成器的相位噪声决定。GSM系统要求发射机均方根相位误差不超过5度，市面上的产品一般做到2.2度左右。考虑 25 KHz 环路带宽和实际的VCO的相位噪声特性，要求频率合成器在频偏 100 KHz 的相位噪声为 -84 dBc/Hz，能达到1.2度的相位误差。

均方根相位误差(Φ)等于对相位噪声功率谱从 100 Hz 到 100 KHz 的积分。

                Φ^2 = 2 * ∫P(f) df

积分下限取 100 Hz 是由突发(Burst)传输的时间长度决定的。缓慢的相位变化不会影响突发传输的相位。积分上限是频道带宽。

在频偏 400 KHz 的相位噪声对调制频谱影响很大。GSM系统要求 -60 dBc (在 30 KHz resolution bandwidth 测量)，也就是 -105 dBc/Hz。考虑到GMSK的频谱扩展，在 30 KHz 带宽上测出的功率比 200 KHz 的总功率低 8-10 dB，相位噪声应该低于 -115 dBc/Hz。如果忽略频率合成器在频偏 400 KHz (如果环路带宽为 30 KHz 左右)对相位噪声的贡献，VCO的相位噪声将占主导地位并且应该低于 -125 dBc/Hz。这样的要求将会为分数(N)频率合成器的其余部分的贡献留下余量。



四. 锁定时间 (Settling time)

对普通的GSM应用来说，频率合成器有一个时隙(542 μsec)长的时间使本振稳定下来。因此到 100 Hz 的锁定时间应该小于542 μsec。但实际上，更快的锁定时间可以让频率合成器晚一些启动，从而达到省电的目的。

对级别1到12的GPRS应用来说，频率合成器只有半个时隙长的时间使本振稳定下来，因此锁定时间应该小于250 μsec。这样的要求将使得环路带宽增加到 30 KHz，或者 45 KHz，并且仍旧要达到同样的相位噪声要求，这对频率合成器的设计提出了一些挑战。



五. VCO pushing figure

VCO pushing figure应该好于 ±1 MHz/0.1 V。

从第二节里可以看到，在频偏 400 KHz 的频率合成器相位噪声是 -121 dBc/Hz。总的相位噪声由参考频率源的相位噪声，VCO相位噪声，频率合成器ΣΔ调制器噪声和分频器/鉴相器的噪声组成。参考频率源的相位噪声很小，锁相环的相位噪声主要是VCO相位噪声和分频器/鉴相器的噪声的贡献。

其中VCO相位噪声包括了由电源引起的部分，电源的噪声将会转化为VCO相位噪声，一般以pushing figure来度量。假定电源噪声密度是 Vn，VCO灵敏度是 Kv，那么在 1Hz 带宽内产生的RMS频偏是 Kv*Vn，在某一个频偏 F 处，峰值相位偏移是

         θd = sqrt(2)*Kv*Vn/F

因此，由电源贡献的相位噪声是

         PN(F) = 20*LOG[J1(θd)/J0(θd)]

其中 Jn(x) 是n阶Bessel函数。

一般的电源滤波采用RC低通，比如一个 R = 10 ohm 和 C = 3.3 uF 的电源滤波将使VCO的相位噪声显著下降。


作者注： 本文仅供参考，不作为设计的依据。

nanshan1981

谢谢.真是热心人.

tarrien

挺不错的文章，谢谢！！！

lhl1688

非常感谢 snow99！
但是，我看了很多资料，在近端，其相位噪声L（f） 满足高斯分布或洛伦兹分布,
但是我通过仿真,找不出其中的是如何原因,
能否讲解一下.
谢谢!!

liuchao240

好复杂哦

yuanhongjie

好贴，要顶

fzm519

应该是信号处理来决定本振的相噪吧

skyfoox

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