相位噪声和频率噪声有什么区别?

信息处理 噪音 频率 阶段
2022-01-17 04:57:41

我正在阅读 Audoin 和 Guinot 的The Measurement of Time: Time, Frequency and the Atomic Clock,并遇到了一段令人困惑的有趣段落(第 5.2.5 节,第 72-73 页):

了解白相位和频率噪声的物理起源。它们与无线电区域中的热噪声或来自粒子通量的散粒噪声有关。

还有一个图表明确列出了相位噪声和频率噪声作为导致时间和频率不稳定的不同分量。

我一直将相位噪声理解为维基百科文章中描述的内容:

v(t)=Acos(2πf0t+φ(t))

其中部分是正弦信号的相位噪声。φ(t)

我无法从这本书的上下文中确定频率噪声是什么意思,我的任何一本书也没有提到频率噪声,只是相位噪声。

那么,相位噪声和频率噪声有什么区别呢?

3个回答

相位噪声和频率噪声不是两个不同的噪声源,它们是同一噪声的伪影,只是你想使用什么单位的问题。频率和相位直接相关,因为频率是随时间变化的相位,所以如果你有一个,你将永远拥有另一个;频率和相位通过导数和积分相关:相位的时间导数等于频率(因为相位随时间的变化就是频率)。

对于表示频率随时间变化为(以弧度/秒为单位)的时域波形,等效于相位随时间变化的函数为:ω(t)

ϕ(t)=ω(t)dt

同样从相位(弧度)到频率(弧度/秒):

ω(t)=dϕ(t)dt

请注意,这可能会非常令人困惑,因为我们谈论的是一个波形,其值表示频率随时间变化;所以要非常清楚,我描述的这个波形确实在时域中(因为自变量是时间),我们正在观察频率如何随时间变化。我们可以对这个波形进行傅里叶变换,然后观察频率的变化率(也就是我们的频率变量的频率……更令人困惑!)。

然而,直截了当对于理解相位噪声和频率噪声之间的区别很重要:

时域中的积分是频域中的低通滤波响应,如积分的拉普拉斯变换属性所示:

L{x(t)dt}=1sX(s)

同样,时间导数导致在拉普拉斯乘以 s,它表示高通函数(因为您可以通过设置来获得两者的频率响应(或傅立叶变换) )s=jω

因此相位功率谱密度和频率功率谱密度相关如下:

Sf(f)=f2Sϕ(f)

其中是频率波动引起的功率谱密度,是相位波动引起的功率谱密度。通过相关,其中是以弧度/秒为单位的频率,而是以周期/秒或 Hz 为单位的频率。)Sf(f)Sϕ(f)fωω=2πfωf

例如,如果您有一个白频噪声过程(意味着所有频率的 FREQUENCY 功率谱密度都是平坦的),则 PHASE 功率谱密度将以或 20 dB/decade 的速率下降。1/f2

这是一个图,我将相位噪声和频率噪声之间的关系显示为时域图。请注意相位如何更平滑,但随着随机偏移的变化相对缓慢地漂移(低通随机游走),而频率图具有更高的频率内容,但长时间不偏离 0(高通滤波)。

在此处输入图像描述

我所知道的最接近“规则”的是小角度标准,它依赖于近似值,以允许在相位噪声测量中忽略高阶贝塞尔边带。如果调制噪声的功率高到足以将大量能量放入高阶边带,则小角度标准不再适用。那时你有 FM 噪音。在时间/频率社区之外,各种斜率的 FM 噪声通常被归为术语“残余 FM”。sin(x)x

基本上,您要查找的搜索词是“相位噪声小角度标准”。他们应该引导你走向更权威的方向。

我不能发表评论,因为我创建这个帐户只是为了在这个答案中添加一些东西,而且我必须有 50 名声望,因为我发现这篇文章作为记忆复习非常有用(目前正在写我的博士论文)。我希望这不被认为是 necro-posting。

我想补充一下 Dan Boschen 的回答,即必须非常注意单位:

确实,通过将起始语句作为一个函数来跟踪通过时间,在积分之后,输出没有单位,或者换句话说,它是标准化的相位单位到 1 ( 1=2 rad)。fπ

从第二个等式:应该以弧度表示,这意味着输出以 rad/s 为单位。这意味着简洁表示法(或更常见的表示法)的公式应该是,导致更常见和简洁的表示法: f(t)=dϕ/dtϕω(t)=dϕ(t)/dt

f(t)=12πdϕ(t)dt

这仅仅是因为频率为的完美正弦曲线的相位随时间变化为fϕϕ(t)=2πftωt

我的观点是,上面的帖子应该完全编辑为简洁的单位,因为如果刚刚学习的人没有意识到这个问题,这可能会导致非常错误的函数绘制。或者也许在我的物理领域中,rad/s 很重要,因为我们总是使用复指数?