為什么雜散會(huì)帶來額外抖動(dòng)？時(shí)鐘相位噪聲測(cè)量解析資料下載

在本月的文章中，我將討論時(shí)鐘相位噪聲測(cè)量中的雜散。大多數(shù)了解時(shí)鐘的人都會(huì)認(rèn)識(shí)到雜散是下面相位噪聲圖中的獨(dú)特的尖峰。雜散通常是不受歡迎的，在頻率合成中低水平雜散并不少見。它們就像是啤酒上的泡沫。這個(gè)特定的曲線來自一個(gè)AWG（任意波形發(fā)生器），配置為1 MHz FM的100 MHz正弦輸出。在本文中，我將使用此數(shù)據(jù)或類似的數(shù)據(jù)。 在第一篇文章中，我將簡(jiǎn)要回顧一下雜散及其特征。接下來，我將在計(jì)算總RMS相位抖動(dòng)時(shí)討論如何計(jì)量它們。最后，我將總結(jié)一下三種在相位噪聲圖上顯示（或不顯示）雜散的方法的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)。在接下來的第二部分，我將討論在評(píng)估和測(cè)試目的上產(chǎn)生雜散的有用性。 什么是雜散 技術(shù)術(shù)語“spur”來自拉丁語spurius，意思是非法的或虛假的偽造。還有另外一個(gè)更普遍的用詞，指的是牛仔的馬刺和圣安東尼奧馬刺隊(duì)。巧合的是，這兩個(gè)含義在此處暗合。 在這里，雜散信號(hào)是載頻或時(shí)鐘頻率頻譜缺陷，就像相位噪聲一樣。然而，與相位噪聲不同，它們是離散的頻率分量。此處給出了其幾個(gè)特別和有趣的特征： 1.雜散是確定性的。 2. 雜散功率與帶寬無關(guān)。 3. 雜散在時(shí)域內(nèi)貢獻(xiàn)有限的峰值抖動(dòng)。 讓我依次對(duì)這些特征進(jìn)行一些解釋。 雜散是確定性的 雜散通常是不受歡迎的，并且與構(gòu)成方波或梯形波鐘所需的諧波相區(qū)分。他們的具體頻率可以幫助我們確定他們的起源和相對(duì)重要性。例如，它們可能是由系統(tǒng)的電源噪聲，串?dāng)_，混頻，調(diào)制，PLL架構(gòu)和電源線諧波等引起的。 PLL通常通過PFD（相位頻率檢測(cè)器）有效地采樣輸入時(shí)鐘，因此必須抑制更新速率雜散。此外，合成分?jǐn)?shù)輸出頻率的PLL通常由于分?jǐn)?shù)分頻而產(chǎn)生雜散。 雜散功率與帶寬無關(guān) 對(duì)于離散頻率成分通常是這樣，可以直接在頻譜分析儀上觀察。相反，非確定性噪聲功率與帶寬成正比。考慮下面的2個(gè)圖，顯示一個(gè)帶有 /- 100 kHzFM邊帶的100MHz正弦載波，作為雜散信號(hào)。軌跡是5次運(yùn)行的平均，跨度設(shè)置為300 kHz。兩個(gè)圖之間的唯一區(qū)別是RBW或分辨率帶寬。 左邊的圖RBW = 6.25 kHz。右側(cè)的圖RBW = 291Hz。你可以看紅線的注釋，峰值保持基本相同的幅度，而噪聲水平從左到右下降。我們可以看到兩圖之間的噪音大約10 dB delta。我們期望噪聲減小，從而將RBW從6.25kHz降低到291Hz，在這種情況下相當(dāng)接近10 * log10（6.25kHz / 291Hz）= 10 * log10（16）= 12dB。請(qǐng)注意，離散頻率分量也變窄。 雜散在時(shí)域內(nèi)貢獻(xiàn)有限的峰值抖動(dòng) 每個(gè)雜散可被認(rèn)為是載波的相位調(diào)制邊帶，其幅度決定了峰值相位偏差的貢獻(xiàn)。這個(gè)有用的功能可以在測(cè)試中被利用，我將在下一篇文章中討論這個(gè)話題。相反，隨機(jī)相位噪聲的峰值相位偏差是無界的。 計(jì)量雜散 相位噪聲圖中的相位噪聲是以赫茲為單位顯示的功率譜密度測(cè)量，即以dBc / Hz為單位，然后在抖動(dòng)帶寬上積分以產(chǎn)生RMS相位抖動(dòng)量。 因?yàn)閇dBc / Hz] x [Hz] = [dBc]，所以這些單位是合理的，這是衡量相對(duì)于載波的RMS相位抖動(dòng)功率。 那么必須使用統(tǒng)計(jì)方法來估計(jì)相同帶寬上的峰值相位抖動(dòng)。（相位噪聲儀器實(shí)際上并不是以1 Hz的增量測(cè)量相位噪聲，而是根據(jù)偏置頻率范圍使用較大的RBW。） 每個(gè)雜散的RMS抖動(dòng)貢獻(xiàn)可以如下計(jì)算。 （例如參見Silicon Labs應(yīng)用筆記 AN256: Integrated Phase Noise） L（f）在載波頻率f0處被認(rèn)為是偏移頻率f處的以dBc為單位的雜散功率。 在計(jì)算相位噪聲 雜散的RMS抖動(dòng)時(shí)，計(jì)算雜散信號(hào)的正確方法是在RSS（Root Sum Square）中添加每個(gè)雜散的單獨(dú)抖動(dòng)功率貢獻(xiàn)，其中僅包含噪聲引起的RMS相位抖動(dòng)。 我們可以用一個(gè)例子來證明這一點(diǎn)。 下面的左邊的曲線是省略雜散的示例標(biāo)準(zhǔn)100MHz時(shí)鐘的相位噪聲曲線。右邊的曲線是相同的相位噪聲曲線，但是具有標(biāo)識(shí)出的雜散和以dBc顯式地顯示。對(duì)于該儀器，以dBc為單位的雜散以與相位噪聲不同的顏色顯示。在第一種情況下，在12 kHz到20 MHz之間測(cè)得的RMS相位抖動(dòng)計(jì)算為668.837 fs。在第二種情況下，測(cè)得的RMS相位抖動(dòng)記錄為878.156 fs。這增加了大約209 fs或大約31％的增長(zhǎng)。 一個(gè)有趣的問題是在相位噪聲測(cè)試設(shè)備中如何識(shí)別雜散。 這個(gè)特定的儀器根據(jù)一個(gè)移動(dòng)平均值來定義一個(gè)閾值，即峰值必須比噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差高出多少。 默認(rèn)的靈敏度設(shè)置是3×標(biāo)準(zhǔn)偏差（西格馬），這已被證明是一個(gè)很好的實(shí)用值。 為了明白為什么雜散會(huì)帶來這么多額外的抖動(dòng)，請(qǐng)注意，有3個(gè)雜散帶顯示，即在12 kHz和20 MHz之間的偏移量。 在下面的表格中，我列出了3個(gè)雜散以及它們各自的RMS抖動(dòng)貢獻(xiàn)，按照所引用的公式計(jì)算。 由于FM而產(chǎn)生的1MHz雜散占主導(dǎo)地位。 （雜散偏移頻率位置和振幅直接來自儀器的雜散列表。） 現(xiàn)在，讓我們一起計(jì)算所有這些值： 這與儀器報(bào)告的878.156 fs非常接近。 您可以通過類似的練習(xí)，分別輸入數(shù)據(jù)，使用我們的在線相位噪聲抖動(dòng)計(jì)算器。 顯示雜散 您可能已經(jīng)注意到，第一階段噪聲圖的尖峰看起來與以dBc為單位的尖刺圖不同（較短）。 讓我們把這兩個(gè)數(shù)字并排放在一起。 現(xiàn)在可以看到，左側(cè)的曲線具有與相位噪聲相同的顏色。 左側(cè)曲線中的雜散以dBc / Hz為單位進(jìn)行描述。 那就是這個(gè)工具通過使它們相對(duì)于RBW標(biāo)準(zhǔn)化而縮小了分歧，具體如下： Spur peak [dBc/Hz] = Spur amplitude [dBc] – 10*log10 (RBW) 在大多數(shù)儀器中，取決于偏移頻率范圍，RBW將從Hz變化到MHz，偏移頻率通常在10％至1％的量級(jí)。 該儀器可能會(huì)或可能不會(huì)明確提供RBW。 但是，我們總能推斷出來。 你會(huì)記得在1兆赫的最大雜散在右邊的圖中被顯示為-72 dBc。 在左側(cè)圖中，相同的雜散大體上被描述為一個(gè)瘦腰三角形，峰值測(cè)量值約為-117.5 dBc / Hz，現(xiàn)在基本上稍微低于和高于1 MHz偏移。 所以我們可以計(jì)算1 MHz偏移的RBW如下： 您可能想知道為什么“以dBc / Hz為單位的雜散”視圖是有用的。 如果你關(guān)心的只是RMS相位噪聲的影響，那么這個(gè)視圖有助于把事情放在適當(dāng)?shù)慕嵌龋皇欠请s散的相位噪聲。 另一方面，類似右側(cè)的圖更準(zhǔn)確，更有用于故障排除。 注意，在這個(gè)特定的例子中，從左到右，計(jì)算出的RMS抖動(dòng)分別從809.574 fs??加到878.156 fs，增加了大約8％。 此外，直接了解雜散信號(hào)的dBc值非常有用，而不用擔(dān)心在特定偏置頻率下儀器的RBW。 上面的表格總結(jié)了我對(duì)三種顯示雜散方式的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)的評(píng)估。 結(jié)論 本月我已經(jīng)討論了相位噪聲測(cè)量中的雜散。 我希望你喜歡這個(gè)Timing 101的文章。 這只是一個(gè)簡(jiǎn)短的介紹。我將在下一次的“虛假相位噪聲第二部分”中回到這個(gè)話題，討論如何生成和使用雜散進(jìn)行測(cè)試。? (mbbeetchina)