相位噪聲的測試方法_圖文

1、胡為東系列文章之七相位噪聲的時域測量方法美國力科公司胡為東摘要:相位噪聲主要是衡量因信號的相位變化而帶來的噪聲,在頻域中表現(xiàn)為噪聲的頻譜,在時域中又表現(xiàn)為信號邊沿位置的抖動,因此在實際應(yīng)用中,相位噪聲和信號的抖動其實本質(zhì)是相同的。本文就將對相位噪聲以及TIE抖動(Time Interval Error,時間間隔誤差,也叫相位抖動的概念及相互關(guān)系做一簡要介紹并詳細(xì)介紹了使用力科示波器如何測量TIE 抖動并將其轉(zhuǎn)換為相位噪聲的。關(guān)鍵詞:力科相位噪聲TIE 抖動一、相位噪聲的基本概念一個時鐘信號或者一個時鐘信號的一次諧波可以用一個如下的正弦波形來表示:(,其中為時鐘頻率,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)則的周期正弦信號在變化的過程中將會出現(xiàn)拐點,且頻譜也將變得不僅僅是一條譜線,而是可能由分布在時鐘頻率周圍的很多條譜線構(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(或者叫做相位抖動譜。因為初始相位的變化而引起的噪聲稱為相位噪聲,因此對于一個正弦時鐘信號或者時鐘信號的一次諧波來說,在理論上應(yīng)該是為零的,此時上述公式中的則完全為相位噪聲成分。 fc A fcA圖1 正弦信號的頻譜(無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)的信號功率與信號的總功率比值,即在fm頻率處1Hz范圍內(nèi)的面積與整個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抖動的基本概念及其與相位噪聲的關(guān)系TIE(Time Interval Error,時間間隔誤差,是指信號的實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的邊沿位置,如100MHZ的信號,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CDR(時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)的方法恢復(fù)出的時鐘作為理想時鐘。如下圖3所示

4、,實際時鐘信號的每一個實際邊沿位置與理想時鐘的邊沿位置都會做一個比較,它們之間的差值就叫做TIE抖動。 圖3 TIE抖動參數(shù)的測量方法如果仔細(xì)考慮下TIE抖動參數(shù)的定義,會不難發(fā)現(xiàn)其實TIE抖動參數(shù)也恰恰反映了信號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個邊沿位置處的TIE抖動參數(shù);(i.Tc為第i 個周期的相位變化;fc為信號頻率。如果以PN(f表示相位噪聲的對數(shù)頻譜圖,那么將上式等式兩邊分別做FFT及對數(shù)運算,則可以得到PN(f=20,其中F(TIE為TIE序列的FFT變換并歸一化到1HZ。同樣結(jié)

5、合RMS的計算公式以及對數(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為抖動濾波響應(yīng)系數(shù)(注:上述公式均是針對于雙邊帶信號,下文的相位噪聲測量示例是基于單邊帶信號。三、基于示波器的相位噪聲測量方法根據(jù)上文的分析,相位噪聲是指信號相位的隨機性波動的功率譜密度,在頻域里相位噪聲通常被表達(dá)為dBc/Hz。如果信號的相位噪聲值非常小,那么則需要使用具有高動態(tài)范圍的頻域儀器進(jìn)行測量,才能得到較好的結(jié)果。如果信號的相位噪聲在-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)行測試。目前測量相位噪聲主要有三種儀器,

6、一是頻譜儀,二是示波器,三是專用的相位噪聲分析儀。頻譜儀中通常具有相位噪聲的測試項,可以從信號頻譜上測量出相位噪聲的值并進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚纯?測試原理即為測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)行相位噪聲的測量則是在時域里先測試出抖動,然后再將抖動值按照上述提到的相位噪聲與抖動的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換得到;由于示波器和頻譜儀的動態(tài)范圍有限,因此對于很小的相位噪聲很難測試得非常準(zhǔn)確。因此如果需要準(zhǔn)確的測試比較小的相位噪聲時,則可以選用專門測試相位噪聲的相位噪聲測試儀。下面為使用力科示波器對相位噪聲的測量方法及步驟:Step1:在示波器的“Timebase”按鈕中選擇

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

8、3 圖7使用力科示波器測量相位噪聲步驟4 Step4:測量時鐘波形的TIE抖動。設(shè)置輸入源為時鐘,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使用力科示波器測量相位噪聲步驟5 圖9使用力科示波器測量相位噪聲步驟6 Step6:對TIE測量參數(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使用力科示波器測量相位噪聲步驟7 圖11使用力科示波器測量相位噪聲步驟8 Step8:對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使用力科示波器測量相位噪聲步驟9 圖13使用力科示波器測量相位噪聲步驟10 Step10:對抖動的FFT進(jìn)行Log10運算,如圖13所示。Step11:在“Rescale”運算設(shè)置中,選擇乘以“20”,然后通過下述公式?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使用力科示波器測量相位噪聲步驟11 圖15使用力科示波器測量相位噪聲步驟12 Step12:使用一個光標(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)本文簡要介紹了相位噪聲及其TIE抖動的概念及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系,并重點介紹了基于力科示波器是如何測量出TIE抖動并將抖動參數(shù)轉(zhuǎn)換為相位噪聲的。五、參考文檔1、Phase Noise