ECS相位噪声和抖动

什么是相位噪声和抖动？

在全球范围内交流和移动数据的能力使我们的星球看起来每天都更小。随着对更快蜂窝和互联网速度的需求不断增长，我们看到数据传输速率以指数级速度增长。随着这些数据率的增加，它们必须推动当前的时间边际的限制。时间边际是指提供商为其所有用户付费流量所使用的干净、可用的带宽。你可以想象，更干净的带宽等于更多的数据；更多的数据等于同一网络上的更多的客户——这反过来又意味着更多的利润。

当试图使用定时边缘的边缘时，会出现两个不同但连接的异常。这些异常现象将是相位噪声和抖动。他们都是清洁时钟的重要者。它们的重要性将取决于您的数据传输方法。射频工程师通常会关注相位噪声，而数字设计师更有可能关注抖动。

如前所述，相位噪声和抖动是清洁时钟的缺点。因此，这两者都是频率质量和定时信号的完整性的指标。作为它们功能的根源，它们是相互关联的。如果我们看看这两个异常现象，我们就可以在系统级别上描述时钟或数据流中的定时不稳定性。

相位噪声被定义为由信号中发生的短期相位波动引起的电噪声。这些随机波动是由被称为抖动的时域不稳定引起的。

抖动被定义为一个高频信号中的信号脉冲的偏差。偏差可以根据振幅、相位定时或信号脉冲的宽度。

相位噪声和抖动是对关于时钟性能的相同信息的两种不同的测量方法。贴片晶振相位噪声是在频域的测量性能，抖动是在时域的测量性能。

让我们仔细看看相位噪声和抖动的定义和测量，因为它们被应用于电子电路中的定时。

什么是相位噪声?

相位噪声是指测量信号两侧的噪声频谱。相位噪声是由于信号的随机相位变化而产生的抖动的结果。信号相位或频率的电平用谱线的带宽来表示。时间的不稳定性越大，光谱线就越宽。要定义相位噪声，需要指定三个元素：

相位噪声振幅：相位噪声规范的电平或振幅以相对于载波的dB表示。这通常被表示为dBc，例如，-50dBc从载体的水平上降低了50分贝。采用这种测量方法是由于相位噪声通常随载流子电平而变化。当相位噪声随载波电平而变化时，该规范可以说明，在给定的载波电平上，相位噪声为- n dBc。

来自载波的偏移：相位噪声规范的一个重要部分是来自相位噪声为一定水平的载波的偏移。这是因为噪声水平根据来自载波的频率偏移而变化，并且频率偏移必须由部件供应商给出。通常情况下，相位噪声在靠近载波时上升得更快，并逐渐消失，直到最终到达噪声下限。偏移量为1kHz，10kHz，100kHz，100kHz石英晶振等。通常是被引用的偏移量。

测量带宽：噪声功率与带宽成正比，因此有必要说明已使用的带宽。所使用的带宽越宽，通过滤波器并被测量的噪声水平就越大。最方便的带宽是1Hz，因为它很容易将这个级别与其他带宽联系起来。因此，这种相位噪声规范格式几乎被普遍采用。频谱分析仪不能直接测量在一个1Hz的带宽，因为这将需要一个非常窄的滤波器带宽。因此，他们在更宽的带宽内测量信号，并通过数学方法调整到1 Hz带宽的水平。

信号发生器或其他振荡器的典型相位噪声规范在100 kHz偏移量处可为-100 dBc/Hz。对于一个完整的相位噪声规范，将指定几个点来给出不同点的相位噪声指示，通常是在变化为10倍的点： 10 Hz、100 Hz、1 kHz等。

相位噪声在一定程度上都存在。在大多数应用中，相位噪声的水平并不是特别重要，但在其他应用中，如声波波、射频通信和蜂窝通信，它可能对系统的整体运行至关重要。相位噪声的量可以通过适当的石英晶体振荡器选择和使用地点来减少。随着需要改进以跟上所有类型的无线电系统的要求，相位噪声是一个越来越重要的参数。

抖动是一个信号的周期到周期周期与其完美对称的不一致性。它可以采取几种形式：边缘或相位抖动被测量为时间间隔误差和周期，或周期到周期，抖动是相邻周期的周期之间的差值。抖动可以用两种变化来测量和定义：随机抖动或确定性抖动。随机抖动通常是不连接的，因为峰值抖动值随时间增加。确定性抖动元素是连接的，并且不随时间而增加。下面的示波器图显示了抖动。

如何测量抖动

时钟性能中最关键的方面之一是抖动。不幸的是，没有行业标准来测量抖动，然而，有几种公认的方法来确定时钟的抖动水平。根据所使用的测试设备、其连接方式和实际的测试条件，这些结果可能会有很大的不同。虽然JEDEC标准确实提供了定义和建议的测试条件，但来自不同测试人员的测量值之间缺乏一致性。

在所有不同类型的抖动测试中，都有三个元素：

被测设备（DUT）-这是您要测量的组件。

参考振荡器-系统时钟需要具有更好的稳定性性能。

电源-清洁电源提供准确和可重复的测试。

进行时域抖动测量

使用示波器可以进行时域抖动测量。示波器提供了方便的查看波形和脉冲。大多数供应商以额外的成本提供抖动测量测试数据包。一个具有高采样带宽（10GS/s+）的高速（1GHz+）示波器应该足以收集所需的数据。请记住，时域抖动测量，特别是周期和周期周期，是随机的，并作为一些样本的平均值给出。JEDEC标准65要求至少1000个样本，但10000个样本率似乎是大多数工程师的首选。

周期抖动

周期抖动是测量的时钟周期与理想周期之间的差。理想周期可能很难识别，因此将平均观察周期作为理想周期更实际。这是定时设备制造商提供更准确的规格的一种常见做法。测量周期抖动的标准程序包括随机测量一个时钟周期的持续时间10,000次，并使用记录的数据来计算平均值、标准差和峰值峰值值。由于周期抖动的随机性，峰到峰值可以有很大的变化。周期抖动可能需要重新测试几次，以得到一个真正的平均值。

循环到循环抖动

测量周期到周期抖动的程序需要测量两个完整时钟周期的持续时间10,000次，并取两者之间的差异。记录的数据用于计算平均值和标准差值。峰值只是观测到的周期内的最大差异。如前所述，在确定周期抖动时，峰值到峰值可能经常变化很大，因为周期到周期抖动需要重新测试几次才能得到一个平均值。

时间间隔误差（TIE）抖动

当只使用一个振荡器时，测量钛抖动是非常困难的。通常，需要一个直方图来绘制测量值与测量发生的频率。下面显示了TIE测量的抖动直方图示例。在这种情况下，连续变量被映射到500个箱子中，数据集的总数为3,200,000个。TIE的平均值理论上是零，从这个测量中可以看到，平均值是0 nsec。对于这幅图，其分布近似为高斯分布，标准差为1.3每秒。

相位噪声、抖动和频率控制部件

相位噪声和抖动的存在会显著降低各种应用程序的性能，如无线通信、高速数据传输和雷达系统。它们可以引入误差，降低信号质量，并限制可实现的数据速率和传输距离。为了减轻相位噪声和抖动的不利影响，准确的频率控制组件是必要的。这些组件提供了稳定的参考频率，精确的频率调谐和低相位噪声特性，以最小化定时误差和保持信号的完整性。

在复杂系统中，pll和频率合成器被广泛用于尝试精确的频率控制和降低相位噪声和抖动有源晶振。这些技术将使用反馈回路和高级滤波来同步输出频率与一个稳定的参考，最小化相位噪声和相关的抖动。然而，频率控制产品的选择和设计直接影响到可实现的相位噪声和抖动性能。必须仔细考虑诸如振荡器的稳定性和带宽等因素，以确保最佳的性能。简而言之，如果系统的性能需要一个干净、稳定的时钟，那么只有一个石英晶体振荡器才能达到抖动性能，这对今天的许多应用都是至关重要的。

• 摘要

由信号中发生的短期相位波动所引起的电相位噪声是由称为抖动的时域不稳定所引起的。抖动是在许多方面，高频信号中信号脉冲的偏差。相位噪声和抖动作为频率质量和定时信号的完整性的指标，总是相互关联的。但是，最好要记住，它们的度量通常是单独查看的。本文展示了它们是如何相关的，并可以计算并对相位噪声和抖动性能进行比较。虽然今天的pll和时钟分配芯片与适当的滤波可以提供良好的抖动为大多数应用，只有一个独立的石英晶体振荡器将达到抖动性能，这对今天的许多应用是至关重要的。

相位噪声、抖动和频率控制元件之间的关系是电子系统设计和优化的基础。通过利用先进的频率控制技术和针对相位噪声和抖动控制进行优化的产品，可以减轻相位噪声和抖动对系统的影响，从而实现高性能和可靠的通信系统。