相位噪聲的測(cè)試方法_圖文

1、胡為東系列文章之七相位噪聲的時(shí)域測(cè)量方法美國(guó)力科公司胡為東摘要:相位噪聲主要是衡量因信號(hào)的相位變化而帶來(lái)的噪聲,在頻域中表現(xiàn)為噪聲的頻譜,在時(shí)域中又表現(xiàn)為信號(hào)邊沿位置的抖動(dòng),因此在實(shí)際應(yīng)用中,相位噪聲和信號(hào)的抖動(dòng)其實(shí)本質(zhì)是相同的。本文就將對(duì)相位噪聲以及TIE抖動(dòng)(Time Interval Error,時(shí)間間隔誤差,也叫相位抖動(dòng)的概念及相互關(guān)系做一簡(jiǎn)要介紹并詳細(xì)介紹了使用力科示波器如何測(cè)量TIE 抖動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換為相位噪聲的。關(guān)鍵詞:力科相位噪聲TIE 抖動(dòng)一、相位噪聲的基本概念一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)或者一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的一次諧波可以用一個(gè)如下的正弦波形來(lái)表示:(,其中為時(shí)鐘頻率,為初始相位,如果為常數(shù),那么

2、的傅里葉變換頻譜圖應(yīng)該為一條譜線,如圖1中的左圖所示,但是如果發(fā)生變化,則原本規(guī)則的周期正弦信號(hào)在變化的過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn),且頻譜也將變得不僅僅是一條譜線,而是可能由分布在時(shí)鐘頻率周?chē)暮芏鄺l譜線構(gòu)成的更為復(fù)雜的頻譜圖,如圖1中的右圖所示,其中頻譜波形在fc附近多出的譜線即為相位噪聲譜(或者叫做相位抖動(dòng)譜。因?yàn)槌跏枷辔坏淖兓鸬脑肼暦Q(chēng)為相位噪聲,因此對(duì)于一個(gè)正弦時(shí)鐘信號(hào)或者時(shí)鐘信號(hào)的一次諧波來(lái)說(shuō),在理論上應(yīng)該是為零的,此時(shí)上述公式中的則完全為相位噪聲成分。 fc A fcA圖1 正弦信號(hào)的頻譜(無(wú)相位變化以及有相位變化的可能情形為了更為精確的描述相位噪聲,通常定義其為在某一給定偏移頻率處的

3、dBc/Hz值,其中,dBc是以dB為單位的該頻率處功率與總功率的比值。如一個(gè)振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號(hào)功率與信號(hào)的總功率比值,即在fm頻率處1Hz范圍內(nèi)的面積與整個(gè)噪聲頻下的所有面積之比,如下圖2所示。 圖2 相位噪聲的基本定義二、TIE抖動(dòng)的基本概念及其與相位噪聲的關(guān)系TIE(Time Interval Error,時(shí)間間隔誤差,是指信號(hào)的實(shí)際邊沿與其理想邊沿之間的偏差,理想邊沿可以為固定頻率信號(hào)的邊沿位置,如100MHZ的信號(hào),那么上升邊沿位置就固定在10ns的整數(shù)倍位置處;也可以通過(guò)CDR(時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)的方法恢復(fù)出的時(shí)鐘作為理想時(shí)鐘。如下圖3所示

4、,實(shí)際時(shí)鐘信號(hào)的每一個(gè)實(shí)際邊沿位置與理想時(shí)鐘的邊沿位置都會(huì)做一個(gè)比較,它們之間的差值就叫做TIE抖動(dòng)。 圖3 TIE抖動(dòng)參數(shù)的測(cè)量方法如果仔細(xì)考慮下TIE抖動(dòng)參數(shù)的定義,會(huì)不難發(fā)現(xiàn)其實(shí)TIE抖動(dòng)參數(shù)也恰恰反映了信號(hào)在閾值交叉電平處的相位的變化。TIE參數(shù)和是可以相互轉(zhuǎn)化的,如果用公式表示即為: TIE(i=(i.Tc/2fc,其中TIE(i為第i個(gè)邊沿位置處的TIE抖動(dòng)參數(shù);(i.Tc為第i 個(gè)周期的相位變化;fc為信號(hào)頻率。如果以PN(f表示相位噪聲的對(duì)數(shù)頻譜圖,那么將上式等式兩邊分別做FFT及對(duì)數(shù)運(yùn)算,則可以得到PN(f=20,其中F(TIE為T(mén)IE序列的FFT變換并歸一化到1HZ。同樣結(jié)

5、合RMS的計(jì)算公式以及對(duì)數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系可推導(dǎo)出某一頻段范圍內(nèi)的RMS抖動(dòng)值和TIE頻譜的關(guān)系如下:RMS Jitter(某一頻段內(nèi) =其中H(f為抖動(dòng)濾波響應(yīng)系數(shù)(注:上述公式均是針對(duì)于雙邊帶信號(hào),下文的相位噪聲測(cè)量示例是基于單邊帶信號(hào)。三、基于示波器的相位噪聲測(cè)量方法根據(jù)上文的分析,相位噪聲是指信號(hào)相位的隨機(jī)性波動(dòng)的功率譜密度,在頻域里相位噪聲通常被表達(dá)為dBc/Hz。如果信號(hào)的相位噪聲值非常小,那么則需要使用具有高動(dòng)態(tài)范圍的頻域儀器進(jìn)行測(cè)量,才能得到較好的結(jié)果。如果信號(hào)的相位噪聲在-70dBc(或者結(jié)合平均方法為-80dBc以上,則可以選擇使用示波器進(jìn)行測(cè)試。目前測(cè)量相位噪聲主要有三種儀器,

6、一是頻譜儀,二是示波器,三是專(zhuān)用的相位噪聲分析儀。頻譜儀中通常具有相位噪聲的測(cè)試項(xiàng),可以從信號(hào)頻譜上測(cè)量出相位噪聲的值并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚纯?測(cè)試原理即為測(cè)試某一指定偏移頻率處的功率電平(1Hz帶寬內(nèi)與載波總功率電平的比值;使用示波器進(jìn)行相位噪聲的測(cè)量則是在時(shí)域里先測(cè)試出抖動(dòng),然后再將抖動(dòng)值按照上述提到的相位噪聲與抖動(dòng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換得到;由于示波器和頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍有限,因此對(duì)于很小的相位噪聲很難測(cè)試得非常準(zhǔn)確。因此如果需要準(zhǔn)確的測(cè)試比較小的相位噪聲時(shí),則可以選用專(zhuān)門(mén)測(cè)試相位噪聲的相位噪聲測(cè)試儀。下面為使用力科示波器對(duì)相位噪聲的測(cè)量方法及步驟:Step1:在示波器的“Timebase”按鈕中選擇

7、“Fixed Sample Rate”,并設(shè)置一個(gè)合理的采樣率以確保在信號(hào)邊沿上采集到足夠多的樣本點(diǎn),如圖4所示。 圖4 使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟1 圖5使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟2 Step2:設(shè)置示波器的最小采集窗口時(shí)間至少為1ms,這將在FFT頻譜中提供1KHz的頻率分辨率。時(shí)間窗口越長(zhǎng),FFT頻譜的頻率分辨率越高(比如說(shuō)5ms的采集時(shí)間窗口將得到200Hz的FFT頻譜分辨率,如圖5所示。Step3:如下圖所示,對(duì)于204.8MHz的時(shí)鐘信號(hào),為了獲得一個(gè)很大的捕獲時(shí)間窗口,我們采集了100M的采樣點(diǎn)數(shù),獲得5ms的捕獲時(shí)間窗口,如圖6所示。 圖6使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟

8、3 圖7使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟4 Step4:測(cè)量時(shí)鐘波形的TIE抖動(dòng)。設(shè)置輸入源為時(shí)鐘,如圖7所示。Step5:在TIE參數(shù)設(shè)置欄里的VClock中選擇“Find Frequency”,如圖8所示。 圖8使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟5 圖9使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟6 Step6:對(duì)TIE測(cè)量參數(shù)進(jìn)行“Track”函數(shù)分析,如圖9所示。Step7:關(guān)掉PLL并適當(dāng)微調(diào)“Customer Frequency”以獲得“Track”函數(shù)曲線的最大平坦度,如圖10所示。 圖10使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟7 圖11使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟8 Step8:對(duì)Track曲線進(jìn)行FF

9、T分析,如圖11所示。Step9:選擇FFT參數(shù)設(shè)置中的“Magnitude”、“V onHann”、“LeastPrime”,并去掉“Suppress DC”選擇,如圖12所示。 圖12使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟9 圖13使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟10 Step10:對(duì)抖動(dòng)的FFT進(jìn)行Log10運(yùn)算,如圖13所示。Step11:在“Rescale”運(yùn)算設(shè)置中,選擇乘以“20”,然后通過(guò)下述公式?jīng)Q定需要增加的常數(shù):20log10(pi*carrier frequency。在本例中,20log10(643398175=176,在“Rescale”運(yùn)算設(shè)置中輸入該常數(shù)值,如圖14所示。 圖14使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟11 圖15使用力科示波器測(cè)量相位噪聲步驟12 Step12:使用一個(gè)光標(biāo)放置在相應(yīng)的相位噪聲偏移頻率(比如10khz位置并直接從F4曲線中讀出cursor對(duì)應(yīng)的以DBC為單位的相位噪聲值。如本例中的10khz的相位噪聲為-109.63dBc,如圖15所示。四、小結(jié)本文簡(jiǎn)要介紹了相位噪聲及其TIE抖動(dòng)的概念及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系,并重點(diǎn)介紹了基于力科示波器是如何測(cè)量出TIE抖動(dòng)并將抖動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為相位噪聲的。五、參考文檔1、Phase Noise