相位噪聲和抖動(dòng)的定義 高速系統(tǒng)對(duì)晶振相位噪聲的要求

晶振是個(gè)大家族，除了簡(jiǎn)單封裝時(shí)鐘振蕩器(SPXO) 外，更有壓控晶體振蕩器（VCXO）、溫補(bǔ)晶體振蕩器（TCXO）、恒溫晶體振蕩器（OCXO），以及數(shù)字補(bǔ)償晶體振蕩器（MCXO或DTCXO），每種類型都有獨(dú)特的性能，例如相位噪聲和抖動(dòng)(jitter)這兩個(gè)指標(biāo)。

什么是相位噪聲和抖動(dòng)？

簡(jiǎn)單講，抖動(dòng)(jitter)是某一事件的時(shí)程與理想時(shí)程的時(shí)間偏差，單位以fs（微微秒、飛秒，即10-15秒），或者ps（皮秒，1ps = 1000fs = 10-12秒）表示。

如果用儀器測(cè)量，呈現(xiàn)出的是信號(hào)的頻域特性，稱作“相位噪聲（Phase Noise）”。本質(zhì)上，這兩者是一樣的，只是表述方式不同而已。

（1）抖動(dòng)

抖動(dòng)分確定性抖動(dòng)（Deterministic jitter，DJ）和隨機(jī)性抖動(dòng)（Random jitter，RJ）兩種。DJ通常幅度有限，以單位時(shí)間表示；RJ為高斯分布，以RMS均方根值表示，RMS Jitter值大小與振蕩輸出頻率成反比。

晶振的抖動(dòng)通常由噪聲引起，并導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定。對(duì)于精密電子儀器、無(wú)線電定位、高速目標(biāo)跟蹤和宇航通信等應(yīng)用領(lǐng)域，選擇低噪聲晶振十分重要。

（2）相位噪聲

相位噪聲（Phase Noise）是抖動(dòng)在測(cè)量?jī)x器上的表現(xiàn)，通常定義為一個(gè)振蕩器在某一偏移頻率fm處1Hz寬帶內(nèi)的單邊信號(hào)功率和信號(hào)總功率比值，單位是dBc/Hz，通常表示為dBc/Hz@fm。

若沒(méi)有相位噪聲，振蕩器的整個(gè)功率都集中在f0（10MHz為例），功率頻譜就是一條以f0為中心的直線，且信號(hào)為純正的正弦波。但是任何信號(hào)都有不穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生了邊帶sideband。

相位噪聲的來(lái)源主要有三方面：
（1）晶體品質(zhì)Q值。高頻晶體有很高的近載波相位噪聲（Close-in Phase Noise）, 因?yàn)樗麄冇械偷腝值和更寬的邊帶。
（2）晶體外圍電路：包括包括IC、RC元件、引腳等。
（3）信號(hào)輸出(白噪聲)。

高速系統(tǒng)對(duì)晶振相位噪聲的要求

在通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳輸、ATM和SONET等高速系統(tǒng)中，時(shí)鐘或振蕩器波形的時(shí)序誤差會(huì)限制一個(gè)數(shù)字I/O接口的最大速率。不僅如此，它還會(huì)導(dǎo)致通信鏈路的誤碼率增大，甚至限制A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍。有資料表明，在3GHz以上的系統(tǒng)中，時(shí)間抖動(dòng)（jitter）會(huì)導(dǎo)致碼間干擾（ISI），造成傳輸誤碼率上升，這就要求晶振選型必須滿足嚴(yán)格的抖動(dòng)指標(biāo)。

如果需要設(shè)備即開(kāi)即用，就必須選用VCXO或溫補(bǔ)晶振；如果要求穩(wěn)定度在0.5ppm以上，則需選擇數(shù)字溫補(bǔ)晶振（MCXO）。模擬溫補(bǔ)晶振適用于穩(wěn)定度要求在5ppm～0.5ppm之間的需求。VCXO只適合于穩(wěn)定度要求在5ppm以下的產(chǎn)品。在不需要即開(kāi)即用的環(huán)境下，如果需要信號(hào)穩(wěn)定度超過(guò)0.1ppm的，可選用OCXO。

一般來(lái)說(shuō)，晶體振蕩器的相位噪聲在遠(yuǎn)離中心頻率的頻率下有所改善。TCXO和OCXO振蕩器以及其它利用基波或諧波方式的晶體振蕩器具有最好的相位噪聲性能。采用鎖相環(huán)合成器產(chǎn)生輸出頻率的振蕩器比采用非鎖相環(huán)技術(shù)的振蕩器一般呈現(xiàn)較差的相位噪聲性能。例如，對(duì)于需要低噪聲、穩(wěn)定和精確時(shí)鐘源的工業(yè)級(jí)設(shè)備（比如收發(fā)器模塊或數(shù)據(jù)中心），可選擇150fs小型塑封石英PLL振蕩器；而通訊、導(dǎo)航、雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域的要求會(huì)有更高如50fs，這需要將100MHz以上基波起振的高頻石英晶體單元與噪音特性優(yōu)越的振蕩IC相組合。


審核編輯：湯梓紅