天华中威科技微波小课堂_相位噪声对FMCW雷达系统的影响

天华中威科技微波小课堂_相位噪声对FMCW雷达系统的影响

一个稳定的频率源是许多电子设备和大多数射频设备的共同要求，相位噪声(Phase Noise)是用于描述连续波信号的频谱纯度的指标，可以评价一个信号短时间内的频率稳定度，其他评定信号质量的指标一般用频率(Hz)或功率(dBm)。

在雷达系统中，一个由晶振或信号发生器以及其他器件调制的连续信号，不可能是一个理想的信号。在信号处理时可以观测到，相位噪声是波形中的相位随机波动在频域上的体现，对应于与正弦信号的时域偏差（抖动），如图1所示。

一般来说，射频工程师关注振荡器的相位噪声，而数字系统工程师则主要关注信号时钟的抖动，信号处理工程师则关注噪声/干扰/杂波对目标的影响(非线性变化)。

图1 正弦信号相位噪声

图1上部分为理想状态V(t) = A∙cos(ωt+φ），下面部分为非理想状态V(t)=A(t)∙cos(ωt+φ(t))。

对于提升雷达系统的灵敏度/动态范围而言，克服相位噪声的影响至关重要，如果强目标旁边存在弱目标，那么相位噪声会导致弱目标被强目标覆盖。一般来说相位噪声定义为在距离某工作频点的一定频偏处的噪声功率谱密度与工作频点的功率比值，一般指的是单边的相位噪声，单位为dBc/Hz,举例：-120 dBc/Hz@1 GHz，偏移20 kHz(典型值）。比如TI单芯片毫米波雷达AWR1642的相位噪声指标为：

也就是说，假设FMCW回波信号的中频频率为2MHz,然后偏离中频频率1MHz远的噪声功率谱密度与中频频点的功率比值为-95dBc/Hz(76-77GHz)，这个值越低说明相位噪声对雷达系统的影响越小，如图2所示：

理想的FMCW单目标回波中频信号频谱是单根谱线，但实际上会存在相位噪声，距离谱线越近的边带的幅度越高，相位噪声越大，距离谱线越远，相位噪声越小。

所以评价一个雷达系统回波信号质量的好坏，也可以从这里入手，通过测量雷达回波信号的相位噪声，并与芯片提供的理论参考值相比，进而确定雷达射频链路的是否符合要求。选择雷达芯片也可以参照这个指标，进而选择性能更佳的芯片。

常见的降低相位噪声的方法包括：采用低噪声放大器、采用锁相环、改进本地振荡器。不过，如果采用单集成雷达芯片，射频器件均封装在芯片内部，我们无法控制，能够观测到的只能是天线设计、PCB走线等外在的物理影响。

涉及到4D成像雷达，不得不提DDMA波形，可以说DDMA波形也与相位噪声有关。TI单芯片毫米波雷达AWR2944、AWR2243等可以实现DDMA波形配置，因为其射频前端存在移相器，如下图所示。

因此移相器的精度也会在发射信号/回波信号产生一定的相位噪声，这就是移相器误差，使得各个通道之间的固定相位差存在较小的波动、同一通道之间各个Chirp的相位也存在差异，从而会抬高底噪电平同时影响测角精度。

参考资料：

【1】UNDERSTANDING PHASE NOISE FUNDAMENTALS

【2】基于AWR2944 的汽车雷达DDMA 波形的原理和实现

【3】AWR2243 数据表、产品信息和支持 | 德州仪器 TI.com.cn