使用頻譜分析儀消除時(shí)鐘幅度變化對(duì)抖動(dòng)和相位噪聲測(cè)量的影響
來(lái)源：http://www.lbfp.com.cn 作者：億金電子 2024年12月19
抖動(dòng)和相位噪聲是顯著影響現(xiàn)代通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)。隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提高，對(duì)這些參數(shù)的精確測(cè)量和管理的需求變得更加重要。通過(guò)采用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)并了解抖動(dòng)和相位噪聲之間的相互作用，工程師可以提高高速通信接口的可靠性和效率。
抖動(dòng)和相位噪聲測(cè)量的精度直接反映了對(duì)使用 clocks 的應(yīng)用的影響。不準(zhǔn)確的測(cè)量會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)度設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致更高的成本和功耗。另一方面，低估抖動(dòng)和相位噪聲會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障和數(shù)據(jù)損壞。頻譜分析儀通過(guò)提供時(shí)域信號(hào)的頻域視圖，在評(píng)估時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們使工程師能夠可視化信號(hào)的相位和幅度的缺陷，這在相位噪聲圖中得到同等處理。通過(guò)分析相位噪聲頻譜，工程師可以深入了解時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)特性，從而做出明智的設(shè)計(jì)決策。測(cè)量抖動(dòng)和相位噪聲的挑戰(zhàn)之一是時(shí)鐘幅度變化的影響。這些變化會(huì)掩蓋信號(hào)的準(zhǔn)確抖動(dòng)和相位噪聲特性，從而導(dǎo)致評(píng)估不準(zhǔn)確。
抖動(dòng)和相位噪聲對(duì)應(yīng)用的影響
ITU-T 將抖動(dòng)定義為與假定的周期性信號(hào)的真實(shí)周期性的偏差，通常根據(jù)參考時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。低于 10 Hz 的偏差頻率被歸類為漂移，等于或高于 10 Hz 的偏差頻率被歸類為抖動(dòng)。
時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)顯著影響傳輸信號(hào)的眼圖，這對(duì)于評(píng)估高速數(shù)字通信系統(tǒng)的質(zhì)量至關(guān)重要。眼圖通過(guò)疊加多個(gè)波形來(lái)直觀地表示信號(hào)質(zhì)量，眼圖張開表示時(shí)序和電壓裕量。當(dāng) clock jitter 發(fā)生時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致 signal edges 的 timing 出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致眼圖張開度變窄。眼圖尺寸的減小使接收器更難對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確采樣，尤其是在更高的數(shù)據(jù)速率下，相同的抖動(dòng)量代表更重要的位周期百分比。較高的抖動(dòng)值會(huì)在傳輸系統(tǒng)中引入更高的誤碼率，因?yàn)檎_的檢測(cè)概率會(huì)隨著眼圖的窄而降低。抖動(dòng)的影響可能因其幅度、類型和使用的測(cè)量帶寬而異。確定性抖動(dòng)可以產(chǎn)生不對(duì)稱的眼圖張開度，而隨機(jī)抖動(dòng)會(huì)均勻地減小眼圖大小。
電信標(biāo)準(zhǔn)組織（如 ITU-T）為 SONET（同步光纖網(wǎng)絡(luò)）和 SDH（同步數(shù)字體系）等系統(tǒng)定義了 12 kHz 至 20 MHz 抖動(dòng)帶寬。這些標(biāo)準(zhǔn)有助于保持信號(hào)完整性和同步性，確保不同設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的互操作性。該系列的選擇作為這些傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的一部分被廣泛采用，并繼續(xù)應(yīng)用于其他現(xiàn)代傳輸系統(tǒng)。帶寬范圍已發(fā)展成為傳輸系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)范圍，因?yàn)樗梢杂行У夭东@對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生重大影響的抖動(dòng)分量，即使基于以太網(wǎng)的更高傳輸速度系統(tǒng)使用更高的帶寬來(lái)指定抖動(dòng)。
相位噪聲主要與正交調(diào)制系統(tǒng)有關(guān)，其中任何相位移動(dòng)都會(huì)使信號(hào)星座圖模糊不清。這種涂抹會(huì)對(duì)誤差矢量幅度 （EVM） 產(chǎn)生不利影響，這是衡量信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo);因此，最小化 clock 的 EVM 貢獻(xiàn)對(duì)于保持信號(hào)完整性至關(guān)重要。在這些系統(tǒng)中，來(lái)自接近載波頻率和非常高頻的頻率偏移的相位噪聲變得越來(lái)越重要。當(dāng)幀大小范圍從幾毫秒到幾十毫秒時(shí)，近載波頻率表現(xiàn)出較小的變化，這有助于保持星座的簡(jiǎn)潔和獨(dú)特。
相反，較高的頻率偏移對(duì)于保持星座的清晰度至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冇兄跍p輕相位噪聲的影響。隨著通信系統(tǒng)向更高階的調(diào)制方案發(fā)展，例如 256 QAM 甚至 1024 QAM，必須最大限度地減少參考振蕩器的相位噪聲貢獻(xiàn)。高階調(diào)制需要更清晰的信號(hào)，以防止誤碼率增加，這使得參考振蕩器的質(zhì)量成為實(shí)現(xiàn)可靠和高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵因素?？傊芾硐辔辉肼暡⒋_保時(shí)鐘振蕩器的最小貢獻(xiàn)對(duì)于優(yōu)化高級(jí)調(diào)制系統(tǒng)的性能、提高整體通信可靠性至關(guān)重要。
參考時(shí)鐘解決方案的幅度變化
多個(gè)源會(huì)導(dǎo)致振幅變化對(duì)振蕩器產(chǎn)生影響。振幅-頻率影響對(duì)應(yīng)于諧振器頻率對(duì)振蕩水平的依賴性，表現(xiàn)為振幅和相位諧振曲線的失真。振蕩器設(shè)計(jì)注意盡可能減少影響。然而，在所有實(shí)際的振蕩器中，由于振蕩技術(shù)的固有性質(zhì)，可能會(huì)發(fā)生振幅變化。與其他振蕩器技術(shù)相比，石英晶體振蕩器對(duì)振幅-頻率效應(yīng)的影響最小。
電源噪聲通過(guò)引入提供給振蕩器的電壓波動(dòng)來(lái)增加振蕩器幅度噪聲。這些電壓變化會(huì)影響輸出幅度，即使是很小的比例，尤其是在敏感情況下。
振蕩器的隨機(jī)游走行為是指由于隨機(jī)噪聲過(guò)程，振蕩器的相位或頻率隨時(shí)間逐漸漂移的現(xiàn)象。這種隨機(jī)游走通常由各種噪聲源驅(qū)動(dòng)，例如熱噪聲、閃爍噪聲或其他環(huán)境變化，隨著時(shí)間的推移而累積。雖然這主要影響相位或頻率穩(wěn)定性，但導(dǎo)致相位或頻率隨機(jī)移動(dòng)的噪聲過(guò)程也會(huì)影響信號(hào)的幅度。必須強(qiáng)調(diào)的是，這對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計(jì)，除了長(zhǎng)期保持行為的振蕩器。
幅度變化不會(huì)影響系統(tǒng)，因?yàn)榻K端系統(tǒng)更關(guān)心相位變化，從而導(dǎo)致抖動(dòng)和相位噪聲。正如我們?cè)诒炯夹g(shù)說(shuō)明的后面部分所看到的，測(cè)量系統(tǒng)還將在測(cè)量結(jié)果中包括信號(hào)幅度變化的影響，這會(huì)導(dǎo)致有關(guān) clock's 性能的信息不準(zhǔn)確。
幅度變化對(duì)輸出相位噪聲頻譜的影響
在相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)中，DUT 信號(hào)與本地參考混合，混頻器充當(dāng)相位檢測(cè)器，產(chǎn)生取決于相位誤差的電壓信號(hào)電平，然后通過(guò) ADC 測(cè)量并執(zhí)行 FFT 分析。該系統(tǒng)的典型框圖如下所示 ：
一種改進(jìn)的相位噪聲和抖動(dòng)測(cè)量方法
雖然時(shí)鐘信號(hào)的幅度變化不會(huì)直接影響通信系統(tǒng)的性能，但它們會(huì)顯著影響相位噪聲測(cè)量的結(jié)果。這是因?yàn)橥ǔＳ糜谙辔辉肼暅y(cè)量的頻譜分析儀對(duì)幅度和相位波動(dòng)的處理相同。因此，測(cè)得的相位噪聲頻譜可能包括幅度變化的貢獻(xiàn)，從而導(dǎo)致準(zhǔn)確相位噪聲特性的表示不準(zhǔn)確。為了解決這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)提出了一種方法，可以在測(cè)量過(guò)程中將相位噪聲的影響與幅度變化隔離開來(lái)。
在執(zhí)行相位噪聲測(cè)量之前，時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)通過(guò)高質(zhì)量的緩沖器或限幅器，以限制其幅度變化。一個(gè)高增益、設(shè)計(jì)良好的 clock buffer 將限制 amplitude 變化，只傳遞相位變化。這確保了提供給相位噪聲測(cè)量設(shè)備的信號(hào)具有穩(wěn)定的幅度，從而最大限度地減少了幅度波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。
該技術(shù)說(shuō)明提出了一種新技術(shù)，通過(guò)解決時(shí)鐘幅度變化的影響，提高通信系統(tǒng)中抖動(dòng)和相位噪聲測(cè)量的精度。抖動(dòng)和相位噪聲對(duì)于評(píng)估信號(hào)質(zhì)量至關(guān)重要，準(zhǔn)確的測(cè)量可以帶來(lái)更好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)或數(shù)據(jù)損壞。測(cè)量這些參數(shù)的主要挑戰(zhàn)之一是時(shí)鐘信號(hào)中的幅度波動(dòng)，當(dāng)使用頻譜分析儀時(shí)，這可能會(huì)扭曲準(zhǔn)確的抖動(dòng)和相位噪聲特性。通常，頻譜分析儀對(duì)幅度和相位波動(dòng)的處理方式相同，如果不控制幅度變化，會(huì)導(dǎo)致相位噪聲的表示不準(zhǔn)確。
為了緩解這個(gè)問(wèn)題，該說(shuō)明建議在執(zhí)行相位噪聲測(cè)量之前使用緩沖器或限幅器。通過(guò)這些緩沖器傳遞時(shí)鐘信號(hào)，幅度變化被最小化，使頻譜分析儀能夠?qū)Ｗ⒂诟_地測(cè)量相位噪聲。該技術(shù)將相位噪聲與幅度噪聲隔離開來(lái)，更準(zhǔn)確地表示信號(hào)的實(shí)際性能。該緩沖器在精確定時(shí)和低抖動(dòng)對(duì)于高速數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要的系統(tǒng)中尤為重要，因?yàn)樗梢源_保幅度引起的失真不會(huì)破壞測(cè)量結(jié)果。
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