关于有源晶振的相位抖动和相位噪音,解释说明如下:
在通信网络、无线传输、ATM和SONET等高速系统中,时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率。不仅如此,它还会导致通信链路的误码率增大,甚至限制A/D转换器的动态范围。有资料表明,在3GHz以上的系统中,时间抖动(jitter)会导致码间干扰(ISI),造成传输误码率上升,这就要求晶振选型必须满足严格的抖动指标。
抖动
抖动分确定性抖动(Deterministic jitter,DJ)和随机性抖动(Random jitter,RJ)两种。DJ通常幅度有限,以单位时间表示;RJ为高斯分布,以RMS均方根值表示,RMS Jitter值大小与振荡输出频率成反比。
(晶体振荡器的RMS Jitter值与输出频率成反比)
晶振的抖动通常由噪声引起,并导致频率不稳定。对于精密电子仪器、无线电定位、高速目标跟踪和宇航通信等应用领域,选择低噪声晶振十分重要。
相位噪声
相位噪声(Phase Noise)是抖动在测量仪器上的表现,通常定义为一个振荡器在某一偏移频率fm处1Hz宽带内的单边信号功率和信号总功率比值,单位是dBc/Hz,通常表示为dBc/Hz@fm。
若没有相位噪声,振荡器的整个功率都集中在f0(10MHz为例),功率频谱就是一条以f0为中心的直线,且信号为纯正的正弦波。但是任何信号都有不稳定性,从而产生了边带sideband。
相位噪声的来源主要有三方面:
1、晶体品质Q值。高频晶体有很高的近载波相位噪声(Close-in Phase Noise),因为它们有低的Q值和更宽的边带。
2、晶体外围电路:包括包括IC、RC元件、引脚等。
3、信号输出(白噪声)。
通常来说,晶体振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO和OCXO振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。例如,对于需要低噪声、稳定和精确时钟源的工业级设备(比如收发器模块或数据中心),可选择150fs小型塑封石英PLL振荡器;而通讯、导航、雷达应用领域的要求会有更高如50fs,这需要将100MHz以上基波起振的高频石英晶体单元与噪音特性优越的振荡IC相组合。
拓展阅读:Phase noise相位噪声、Jitter抖动和Allan variance艾伦方差
1、相位噪声(Phase noise)
在射频和微波电子学中,相位噪声通常是查看和分析噪声的方法。具有低相位噪声频率源至关重要,因为相位噪声限制了确定振荡器当前状态和可预测性的能力。随着时间的推移,具有良好的频率精度是件好事,但信号的纯度也很重要。
较差的相位噪声限制了通信系统中可以传输和接收的数据量,并干扰了任何通信系统中可用带宽的最有效使用。传统上,在任何模拟、射频或微波应用中,工程师都喜欢在频域中处理相位噪声。
从直观的角度来看,相位噪声可能是可视化信号纯度的最佳方式。如果有一个 100 MHz 的晶体振荡器或其他频率信号,那么希望信号的所有能量都精确到 100 MHz。当在频率分析仪上查看时,它甚至可以显示最佳频率源的输出功率,虽然大部分功率在 100 MHz,但也发现一些功率位于非常接近载波 (100 MHz) 的频率上。离载波越远,噪音就越小。精密石英晶体振荡器实际上是最好的低噪声源,因为石英具有最高的“Q”或品质因数。但在现实世界中,没有一个频率源是完美的。任何给定偏移(与载波的距离)的噪声量均以 dBc/Hz 为单位。
请记住,对于晶体振荡器,相位噪声很低。dBc/Hz 刻度是对数的,因此一个好的晶体振荡器的相位噪声,即使在与载波最近的偏移处(如 10 Hz)也可能约为 -95 dBc/Hz,与载波频率本身的能量密度相比,这是非常非常低的,而 1 MHz 和远离载波的相位本底可能低至 -174 dBc/Hz。
2、抖动 (Jitter)
相比之下,在电信行业,传统上使用抖动在时域中分析噪声。在本质上是数字的电信中,抖动是周期性信号与真实周期性的偏差。相位噪声分析的是频域中信号的纯度,而抖动分析的是所研究的方波信号中每个周期的时序精度。
在电信和其他数字应用中,低抖动对于最大限度地降低误码率 (BER) 非常重要。BER 是衡量数字系统中在给定时间段内将错过多少个运行周期的指标。显然,错过的周期意味着错过或损坏的数据。
一个完美的方波信号在每个周期中都是完全相同的时间段。抖动是衡量数字定时信号接近此定时完美的程度的指标。由于主时钟会处理任何更短或更接近的噪声,因此可以并且以多种不同方式测量和表征的抖动被视为远离载波频率的 12 KHz 至 20 MHz 的所有相位抖动的积分。这一传统沿用至今,至今仍是指定和测量大多数抖动的方式。
3、艾伦方差 (Allan variance)
Allan 方差是一种统计方法,可以对短期稳定性进行有意义的表征。使用中有一些不同的修改,也许最常见的是 Allan Deviation 或 ADEV。虽然非常接近的相位噪声是检查信号短期稳定性和纯度的有用技术,但一旦真正靠近载波,例如距离载波一秒甚至更近,几乎不可能以可重复的方式准确和精确地测量单个的相位噪声。因此,Allan Deviation 涉及进行许多此类测量,然后对数据集进行统计分析,以有意义地表示信号的非常短期的稳定性。