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深刻理解相位噪聲

生活 更新时间:2024-12-17 10:37:26

抖動(Jitter)反映的是數字信号偏離其理想位置的時間偏差。高頻數字信号的bit周期都非常短,一般在幾百ps甚至幾十ps,很小的抖動都會造成信号采樣位置電平的變化,所以高頻數字信号對于抖動都有嚴格的要求。

深刻理解相位噪聲(什麼是抖動和相位噪聲)1

實際信号的很複雜,可能既有随機抖動成分(RJ),也有不同頻率的确定性抖動成分(DJ)。确定性抖動可能由于碼間幹擾或一些周期性幹擾引起,而随機 抖動很大一部分來源于信号上的噪聲。下圖反映的是一個帶噪聲的數字信号及其判決阈值。一般我們把數字信号超過阈值的狀态判決為“1”,把低于阈值的狀态判 決為“0”,由于信号的上升沿不是無限陡的,所以垂直的幅度噪聲就會造成信号過阈值點時刻的左右變化,這就是由于噪聲造成信号抖動的原因。

深刻理解相位噪聲(什麼是抖動和相位噪聲)2

要進行信号抖動的分析,最常用的工具是寬帶示波器配合上響應的抖動分析軟件。示波器裡的抖動分析軟件可以方便地對抖動的大小和各種成分進行分解,但是 示波器由于噪聲和測量方法的限制,很難對亞ps級的抖動進行精确測量。現在很多高速芯片對時鐘的抖動要求都在1ps以下甚至更低。這就需要借助于其它的測 量方法比如相位噪聲(phase noise)的測量方法。

我們知道抖動是時間上的偏差,它也可以理解成時鐘相位的變化,這就是相位噪聲。對于時鐘信号,我們觀察其基波的頻譜分布。理想的時鐘信号其基波的頻譜 應該是一根很窄的譜線,但實際上由于相位噪聲的存在,其譜線是比較寬的一個包絡,這個包絡越窄,說明相位噪聲(抖動)越小,信号越接近理想信号。下圖是一 個真實時鐘信号的頻譜,信号的基波在2.5GHz,我們觀察2.5GHz附近10MHz帶寬的頻譜。我們可以看到首先信号的頻譜不是一根很窄的譜線,其譜 線有展寬(随機噪聲的影響),其次上面疊加的還有一些特定頻率的幹擾(确定性抖動的影響)。

深刻理解相位噪聲(什麼是抖動和相位噪聲)3

為了更方便觀察低頻的幹擾,在相位噪聲測量中通常會以信号的載波頻率為起點,把橫坐标用對數顯示,其橫坐标反映的是離信号載波頻率的遠近,縱坐标反映的是相應頻點的能量和信号載波能量的比值。這個比值越小,說明除了載波以外其它頻率成分的能量越小,信号越純淨。要進行時鐘信号的相位噪聲精确測量使用的儀器是信号源分析儀,信号源分析内部有特殊的電路,通過兩個獨立本振的多次相關處理可以把自身本振的相位噪聲壓得非常低,從而可以進行精确的相位噪聲測量。

對于很多晶振産生的時鐘來說,其抖動中的主要成分是随機抖動。如果我們把相位噪聲測試結果裡不同頻率成分的相位噪聲能量進行積分的話,我們就能夠得到随機抖動。通過信号源分析儀對相位噪聲測量然後對一定帶寬内的能量進行積分,我們就可以得到精确的随機抖動測量結果。信号源分析儀能測量到的最小抖動可以到fs級。

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