ECS:什么是相位噪声和抖动,它们是如何连接的？

ECS晶振在全球范围内通信和移动数据的能力不断提高，使我们的星球似乎每天都在变小。随着对更快的蜂窝和互联网速度的需求不断增加，我们看到数据传输速率正以指数级的速度增长。随着这些数据速率的提高，它们必须突破当前时序裕量的限制。时序裕量是提供商用于其所有订户付费流量的干净、可用的带宽。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更多的客户，这反过来又等同于更多的收益。当尝试使用时序裕量的边缘时，会出现两种不同但相互关联的异常。这些异常将是相位噪声和抖动。它们的重要性将取决于您的数据传输方法。RF工程师通常会关注相位噪声，而数字设计人员则更关注抖动。

如前所述，相位噪声和抖动是干扰时钟的因素。因此，两者都是频率质量和定时信号完整性的指标。在它们功能的根源上，它们是相互关联的。如果我们看一下这两个异常，我们可以在系统级别表征时钟或数据流中的时序不稳定性。相位噪声定义为由信号中发生的短期相位波动引起的电噪声。这些随机波动是由称为抖动的时域不稳定性引起的。抖动定义为高频信号中信号脉冲的偏差。偏差可以是幅度、相位定时或信号脉冲的宽度。

相位噪声和抖动是时钟性能相同信息的两种不同测量值。相位噪声是频域中测量的性能，抖动是时域中的测量性能。

什么是相位噪声

相位噪声是信号两侧噪声频谱的测量值，与频域中的中心频率或基波时钟相邻。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在谱线的带宽中描述。时序不稳定性越大，谱线越宽。要定义相位噪声，需要指定三个元素：

 相位噪声幅度：相位噪声规格的电平或幅度以相对于载波的dB表示。这通常表示为dBc，例如，-50dBc是比载波低50分贝的水平。采用这种测量方法是因为相位噪声通常随载波电平而变化。如果相位噪声随载波电平而变化，则规范可以规定在给定载波电平下的相位噪声为–n dBc。

与载波的偏移量：相位噪声规格的一个重要部分是相位噪声达到一定水平的载波的偏移。这是因为噪声水平根据载波的频率偏移而变化，并且频率偏移必须由组件供应商给出。通常，相位噪声在靠近载波时上升得更快，然后逐渐消失，直到最终达到本底噪声。通常引用 1 kHz、10 kHz、100 kHz 等偏移。

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。使用的带宽越宽，通过滤波器并被测量的噪声水平就越大。最方便使用的带宽是 1 Hz，因为很容易将此级别与其他带宽相关联。因此，这种相位噪声规格格式几乎被普遍采用。频谱分析仪无法直接在1 Hz带宽内进行测量，因为这需要非常窄的滤波器带宽。因此，它们在更宽的带宽中测量信号，并在数学上将电平调整为1 Hz带宽的水平。

信号发生器或其他SMD晶振的典型相位噪声规格在100 kHz偏移时可能为-100 dBc/Hz。对于完整的相位噪声规格，将指定几个点来指示不同点的相位噪声，通常在相差十倍的点：10 Hz、100 Hz、1 kHz等。相位噪声存在于所有信号的某种水平上。在大多数应用中，相位噪声水平并不是特别重要，但在其他应用中，如SONET、RF通信和蜂窝通信，相位噪声水平对于系统的整体运行至关重要。相位噪声的量可以通过适当的振荡器选择和使用地点来减轻。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。

什么是抖动

抖动是信号的周期到周期与其完美对称性的不一致。它可以采取几种形式：边沿或相位抖动以时间间隔误差和周期或周期间来衡量，抖动是相邻周期周期之间的差值。抖动可以测量和定义两种变体：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。确定性抖动元件是相互连接的，不会随着时间的推移而增加。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，但是，有几种公认的方法来确定时钟中的抖动水平。根据所使用的测试设备、它们的连接方式以及实际测试条件，这些结果可能会有很大差异。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结果之间缺乏一致性。

时域抖动测量可以用示波器进行。示波器可轻松查看波形和脉冲。大多数供应商提供抖动测量测试包，但需要额外付费。具有高采样带宽（1GS/s+）的高速（10GHz+）示波器应该足以收集所需的数据。请记住，时域抖动测量，特别是周期和周期间抖动测量，是随机的，并作为多个样本的平均值给出。JEDEC 标准 65 要求至少 1，000 个样本，但大多数工程师似乎更喜欢 10，000 个样本率。

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异。理想时期可能难以辨别，因此将平均观察期视为理想时期更为实际。这是计时设备制造商提供更准确规格的常见做法。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，并使用记录的数据计算平均值、标准偏差和峰峰值。由于周期抖动的随机性，峰峰值可能会有很大差异。可能需要重新测试几次周期抖动才能获得真正的平均值。

周期间抖动

测量周期间抖动的过程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偏差值。峰值只是观察到的周期的最大差异。如前所述，在确定周期抖动时，峰峰值可能会有很大差异，因此通常需要多次重新测试周期间抖动才能得出平均值。

时间间隔误差 （TIE） 抖动

仅使用振荡器时，测量TIE抖动非常困难。通常，需要直方图来根据测量发生的频率绘制测量值。下面显示了 TIE 测量的抖动直方图示例。在本例中，连续变量映射到 500 个箱中，数据集的总总体为 3，200，000。TIE 的平均值理论上为零，从此测量中可以看出，平均值为 0 nsec。对于此图，分布近似于高斯分布，标准差为 1.3 psec。

相位噪声、抖动和频率控制元件

相位噪声和抖动的存在会显著降低各种应用的性能，例如无线通信、高速数据传输和雷达系统。它们可能会引入错误，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，精确的频率控制元件至关重要。这些组件提供稳定的参考频率、精密频率调谐和低相位噪声特性，以最大限度地减少时序误差并保持信号完整性

PLL和频率合成器广泛用于尝试精确的频率控制并降低复杂系统中的相位噪声和抖动。这些技术将使用反馈环路和高级滤波将输出频率与稳定基准同步，从而最大限度地减少相位噪声和相关抖动。然而，频率控制产品的选择和设计对可实现的相位噪声和抖动性能有直接影响。必须仔细考虑振荡器稳定性和带宽等因素，以确保最佳性能。简而言之，如果系统性能需要干净、稳定的时钟，那么只有基于石英的晶体振荡器才能实现抖动性能，这对于当今的许多应用至关重要。

总结

由信号中发生的短期相位波动引起的电相位噪声是由称为抖动的时域不稳定性引起的。抖动是高频信号中信号脉冲的偏差。作为频率质量和定时信号完整性的指标，相位噪声和抖动总是相互关联的。但是，最好记住，它们的指标通常是单独查看的。本文展示了它们之间的关系，并且可以计算和比较相位噪声和抖动性能。虽然当今具有适当滤波功能的PLL和时钟分配芯片可以为大多数应用提供良好的抖动，但只有独立的石英晶体振荡器才能实现对当今许多应用至关重要的抖动性能。

相位噪声、抖动和频率控制组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。