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
來源：http://eitherspanlaw.com 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。眼圖通過疊加多個(gè)波形來直觀地表示信號(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?，管理相位噪聲并確保時(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。
電源噪聲通過引入提供給振蕩器的電壓波動(dòng)來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 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)問題，已經(jīng)提出了一種方法，可以在測(cè)量過程中將相位噪聲的影響與幅度變化隔離開來。
在執(zhí)行相位噪聲測(cè)量之前，時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)通過高質(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)說明提出了一種新技術(shù)，通過解決時(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)問題，該說明建議在執(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，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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