測(cè)量晶振的相位噪聲方法介紹

1 簡(jiǎn)介

相位噪聲是振蕩器的基本指標(biāo)之一。經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師可以通過(guò)查看相位噪聲圖來(lái)了解有關(guān)振蕩器質(zhì)量以及它是否適合應(yīng)用的很多信息。RF 工程師專注于某些載波偏移頻率下的相位噪聲水平，以確保可以支持所需的調(diào)制方案。設(shè)計(jì) 40GbE 等高速串行鏈路的專業(yè)人員將帶通濾波器應(yīng)用于參考時(shí)鐘的相位噪聲，對(duì)其進(jìn)行積分，并將其轉(zhuǎn)換為相位抖動(dòng)以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的誤碼率。

本應(yīng)用指南首先簡(jiǎn)要介紹相位噪聲和相位噪聲測(cè)量方法的理論概述，然后重點(diǎn)介紹實(shí)用的相位噪聲測(cè)量建議，例如將被測(cè)信號(hào)正確連接到儀器、設(shè)置相位噪聲分析儀以及選擇合適的相位噪聲分析儀。設(shè)置。本文檔中的所有測(cè)量均使用 Keysight E5052B 相位噪聲分析儀進(jìn)行，該分析儀是北美最常用的相位噪聲測(cè)量?jī)x器之一。

2 什么是相位噪聲

相位噪聲是信號(hào)短期相位不穩(wěn)定性的頻域表示。相位噪聲通常被描述為單邊帶 (SSB) 相位噪聲并表示為 L(f)。相位噪聲的經(jīng)典定義是在載波偏移頻率處測(cè)得的功率譜密度與信號(hào)總功率之比。出于實(shí)際目的，此定義已稍作修改，以便在載波偏移頻率處測(cè)量的功率譜密度以載波功率為參考，而不是以總積分信號(hào)功率為參考（圖 2-1）。

圖?2-1：經(jīng)典相位噪聲定義

使用頻譜分析儀測(cè)量相位噪聲時(shí)，經(jīng)典定義很方便，但它結(jié)合了幅度和相位噪聲效應(yīng)。它還對(duì)具有高相位噪聲的信號(hào)有限制。經(jīng)典定義通常適用于峰峰值相位偏差遠(yuǎn)小于 1 弧度的信號(hào)。它也永遠(yuǎn)不能大于 0 dB，因?yàn)樾盘?hào)中的噪聲功率不能大于信號(hào)的總功率。

最近，相位噪聲被重新定義為相位波動(dòng) L(f) = SΦ(f)/2 的功率譜密度的一半。理想的正弦波可以表示為 f(t) = A?sin(ωt + φ)。具有相位噪聲的正弦波可以表示為 f(t) = A?sin(ωt + φ(t))，其中 φ(t) 是相位噪聲。那么 SΦ(f) 是 φ(t) 的功率譜密度。以這種方式定義時(shí)，相位噪聲與幅度噪聲是分開(kāi)的。它也可以大于 0 dB，這意味著相位變化大于 1 弧度。

3 相位噪聲測(cè)量方法

有兩種廣泛使用的相位噪聲測(cè)量方法。第一個(gè)使用頻譜分析儀的功率譜測(cè)量和相位噪聲的經(jīng)典定義。信號(hào)頻譜是在一定的分辨率帶寬下測(cè)量的。然后計(jì)算相位噪聲，如圖 2-1 所示。

第二種方法通過(guò) SΦ(f) 與最新的相位噪聲定義兼容，并使用相位檢測(cè)器技術(shù)。這種方法的基本原理是使用鑒相器將被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較。鑒相器的輸出與其輸入之間的相位差成正比（圖 3-1）。

圖?3-1：相位噪聲測(cè)量的相位檢測(cè)器方法

鑒相器方法有很多種。Keysight E5052B 分析儀實(shí)現(xiàn)了此方法的兩種不同變體，在儀器設(shè)置中稱為“正常”和“寬”。

正常模式是一種 PLL 方法，它使用 PLL 將參考振蕩器鎖定到被測(cè)信號(hào)。這樣做是為了使參考信號(hào)和源信號(hào)在相位檢測(cè)器輸入上保持 90° 相位差。相位檢測(cè)器的輸出使用 ADC 進(jìn)行采樣，并使用快速傅立葉變換 (FFT) 計(jì)算 SΦ(f)。

在寬測(cè)量模式下，E5052B 使用所謂的外差（數(shù)字）鑒別器方法。它使用模擬混頻器將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻 (IF)，然后用 ADC 對(duì)其進(jìn)行采樣。相位檢測(cè)器在 DSP 中實(shí)現(xiàn)，它將信號(hào)與自身的延遲版本進(jìn)行比較。相位檢測(cè)器的輸出用數(shù)字低通濾波器進(jìn)行濾波，以將相位差分量與高頻分量分開(kāi)。這個(gè)代表相位噪聲的時(shí)域數(shù)字信號(hào)然后在 DSP 中通過(guò) FFT 和歸一化運(yùn)行。

正常模式用于穩(wěn)定的時(shí)鐘源。它提供了最佳的靈敏度和廣泛的偏移覆蓋范圍。對(duì)于具有高電平接近載波相位噪聲的信號(hào)，建議使用寬模式?；ハ嚓P(guān)可用于提高外差（數(shù)字）鑒別器方法的測(cè)量靈敏度，尤其是在接近偏移處。

4 將信號(hào)連接到相位噪聲分析儀

4.1 信號(hào)電平和熱噪聲

熱噪聲是由導(dǎo)體中電荷載流子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電子噪聲。它表示為給定溫度下每赫茲帶寬的平均噪聲功率。電阻器的溫度越高，電荷載流子的動(dòng)能就越高，這導(dǎo)致溫度越高噪聲越大。熱噪聲本質(zhì)上是寬帶的，并且具有近似平坦的頻譜。

熱噪聲可以限制弱信號(hào)的相位噪聲測(cè)量本底噪聲。室溫下的熱噪聲為 -174 dBm/Hz。熱噪聲中的相位噪聲功率部分比總功率小 3 dB，導(dǎo)致在室溫下為 -177 dBm/Hz。相位噪聲測(cè)量的理論本底噪聲是載波信號(hào)功率與熱噪聲的相位噪聲部分之間的差值。表 4-1 顯示了不同功率電平輸入信號(hào)的理論相位噪聲測(cè)量本底噪聲。

表?4-1：作為信號(hào)功率函數(shù)的理論相位噪聲測(cè)量本底噪聲

4.2 有源放大器和探頭

可能需要有源放大器將被測(cè)信號(hào)路由到相位噪聲分析儀，例如當(dāng)信號(hào)太弱而無(wú)法直接連接到儀器的 50Ω 輸入時(shí)。一個(gè)典型的例子是在精密 TCXO 和 OCXO 中經(jīng)常看到的削波正弦輸出類型。削波正弦輸出驅(qū)動(dòng)器的阻抗相對(duì)較高，不能直接驅(qū)動(dòng) 50Ω 負(fù)載。另一個(gè)例子是在不加載電路的情況下測(cè)量客戶板上的相位噪聲。

任何有源放大器都有自己的噪聲系數(shù)，并在信號(hào)通過(guò)放大器時(shí)向源信號(hào)添加噪聲。結(jié)果，與輸入信號(hào)相比，放大器輸出端的信噪比降低。如果在將被測(cè)信號(hào)連接到相位噪聲分析儀之前必須對(duì)其進(jìn)行放大或緩沖，則必須考慮放大器的噪聲系數(shù)以確保放大器添加的噪聲可以忽略不計(jì)。

有源探頭提供了一種訪問(wèn)系統(tǒng)或評(píng)估板上信號(hào)的便捷方式。它們?yōu)橄到y(tǒng)增加了最小的寄生負(fù)載，并附帶了許多附件，可以輕松連接到電路板上的走線、引腳、探針點(diǎn)或其他功能。有源探頭主要設(shè)計(jì)用于高帶寬信號(hào)的精確波形測(cè)量。因此，使用有源探頭進(jìn)行相位噪聲測(cè)量時(shí)存在兩個(gè)主要問(wèn)題：

1、?有源探頭具有高帶寬，會(huì)給信號(hào)增加大量寬帶噪聲。

2、?為確保探頭的高帶寬能力，探頭中的放大器對(duì)信號(hào)電平進(jìn)行分頻。這意味著相位噪聲分析儀輸入上的信號(hào)功率會(huì)降低，并且由于熱噪聲而導(dǎo)致測(cè)量本底噪聲降低。

不建議使用有源探頭進(jìn)行相位噪聲測(cè)量。

4.3 振蕩器輸出信號(hào)類型

振蕩器可以有不同的輸出信號(hào)類型。兩大類是單端信號(hào)和差分信號(hào)。單端信號(hào)在相對(duì)于公共地的單線上承載時(shí)鐘信號(hào)。差分信號(hào)使用兩根信號(hào)線傳輸相同的時(shí)鐘信號(hào)，這些時(shí)鐘信號(hào)彼此相差 180°。

本章將提供將最常見(jiàn)的信號(hào)類型連接到相位噪聲分析儀的建議。

4.3.1 單端 LVCMOS

LVCMOS 是一種單端輸出類型，通常具有從 0V 到 VDD 的輸出電平。輸出阻抗通常介于 20Ω 和 40Ω 之間。LVCMOS 輸出通?？梢灾苯舆B接到相位噪聲分析儀的 50Ω 輸入，但需要記住以下幾點(diǎn)：

1、?必須使用 50 Ω 屏蔽電纜進(jìn)行連接，最好保持較短的長(zhǎng)度 (<= 3 英尺)，以最大程度地減少插入損耗和隨之而來(lái)的信號(hào)衰減。

2、?相位噪聲分析儀的輸入端具有 50Ω 端接，將 50Ω 負(fù)載加載到振蕩器會(huì)從輸出驅(qū)動(dòng)器吸取大量電流。這種功耗會(huì)略微增加內(nèi)部芯片溫度。來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的高電流消耗的另一個(gè)影響是相位噪聲中稱為雜散的諧波分量的水平。如果有任何與輸出驅(qū)動(dòng)器對(duì)振蕩器電路中其他模塊的影響相關(guān)的雜散，則增加驅(qū)動(dòng)器電流可能會(huì)增加這些雜散的電平，并且它們的幅度將比正常負(fù)載條件下的幅度更大。

4.3.2 單端削峰正弦

削峰正弦輸出是單端輸出，具有緩慢的上升/下降時(shí)間和降低的信號(hào)電平，精密 TCXO 和 OCXO 經(jīng)常會(huì)遇到這種情況。這種輸出的輸出阻抗相對(duì)較高（kΩ 范圍），將削峰正弦輸出直接連接到相位噪聲分析儀的 50 Ω 輸入意味著信號(hào)功率低，熱噪聲將顯著限制測(cè)量本底噪聲。例如，具有 1 kΩ 源阻抗和 1V 峰峰值電壓的削波正弦輸出將為 50 Ω 儀器輸入提供大約 -20 dBm 的功率。這導(dǎo)致理論測(cè)量本底噪聲為 -157 dBc/Hz，這對(duì)于應(yīng)該在與載波偏移 5 MHz 處達(dá)到 -170 dBc/Hz 的時(shí)鐘信號(hào)是不可接受的。

為了避免這種情況，必須將信號(hào)功率提升到可接受的水平。一種選擇是使用低噪聲射頻放大器，如 Mini-Circuits ZX60-3018G-S+（圖 4-1）。它具有 SMA 輸入和 SMA 輸出，可以輕松地注入到測(cè)量設(shè)置中。

4.3.3 差分輸出

振蕩器最常見(jiàn)的差分信號(hào)類型是 LVPECL 和 LVDS。不太流行但仍在某些應(yīng)用程序中使用的是 HCSL。差分輸出具有許多優(yōu)點(diǎn)：共模降噪、抗噪聲耦合、出色的電源噪聲抑制和高頻能力。

相位噪聲分析儀通常有單端輸入，但差分接口有兩個(gè)輸出。將差分輸出連接到具有 50 Ω 輸入的單端儀器的最簡(jiǎn)單方法是將其中一個(gè)輸出直接連接到儀器，并用 50 Ω 將另一個(gè)輸出端接地以平衡驅(qū)動(dòng)電流。這種方法的兩個(gè)缺點(diǎn)是共模噪聲沒(méi)有被消除，這會(huì)增加本底噪聲并且損失了一半的信號(hào)功率。此外，如前所述，較弱的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致熱噪聲的影響較大。

更好的解決方案是使用平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器巴倫將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，然后連接到相位噪聲分析儀。巴倫是一種高頻變壓器，其中差分信號(hào)連接到初級(jí)繞組的兩側(cè)，單端信號(hào)從次級(jí)繞組中取出。圖 4-2 說(shuō)明了在單端模式（連接到相位噪聲分析儀的輸出之一）和使用 JTX-2-10T 射頻變壓器作為巴倫的 JTX-2-10T 射頻變壓器在單端模式下測(cè)量的 SiT9365 差分振蕩器的相位噪聲?？梢杂^察到，單端測(cè)量具有更高的本底噪聲。

圖?4-2：在單端和差分模式下測(cè)量的?SiT9365 156.25 MHz?差分振蕩器的相位噪聲

5 設(shè)置相位噪聲分析儀

5.1 自動(dòng)設(shè)置

大多數(shù)相位噪聲測(cè)量?jī)x器都具有自動(dòng)設(shè)置功能。其目的是為給定的輸入信號(hào)選擇最佳的儀器設(shè)置。在 Keysight E5052B 相位噪聲分析儀中使用自動(dòng)設(shè)置時(shí)，儀器會(huì)檢測(cè)輸入信號(hào)的功率電平和頻率，并自動(dòng)設(shè)置多項(xiàng)設(shè)置，包括輸入衰減、中頻增益和頻率范圍。所有其他設(shè)置，如開(kāi)始/停止頻率、平均或互相關(guān)，取決于測(cè)量需要，而不是由自動(dòng)設(shè)置設(shè)置。圖 5-1 顯示了使用 Keysight E5052B 分析儀使用自動(dòng)設(shè)置進(jìn)行的相位噪聲測(cè)量。被測(cè)信號(hào)是通過(guò)巴倫轉(zhuǎn)換器連接的 SiT9365 差分振蕩器。

圖 5-1：使用 Keysight E5052B 分析儀使用自動(dòng)設(shè)置進(jìn)行相位噪聲測(cè)量。被測(cè)信號(hào)：SiT9365差分振蕩器通過(guò)巴倫轉(zhuǎn)換器連接

5.2 設(shè)置輸入衰減

必須按照儀器供應(yīng)商的建議設(shè)置輸入衰減。過(guò)多的衰減可能會(huì)將信號(hào)功率降低到熱噪聲開(kāi)始降低本底噪聲的程度。衰減太小可能會(huì)導(dǎo)致電路過(guò)載和測(cè)量結(jié)果不佳。圖 5-2 說(shuō)明了當(dāng)輸入衰減器設(shè)置從自動(dòng)設(shè)置功能選擇的 0 dB 更改為 20 dB 和 30 dB 時(shí)，相位噪聲測(cè)量本底噪聲如何增加。

圖 5-2：衰減器設(shè)置對(duì)相位噪聲測(cè)量的影響。儀器：Keysight E5052B。被測(cè)設(shè)備：SiT5356，156.25 MHz。

5.3 平均

大多數(shù)相位噪聲分析儀都具有測(cè)量平均功能。此功能按指定的次數(shù)運(yùn)行測(cè)量并對(duì)結(jié)果求平均值。它使相位噪聲軌跡看起來(lái)更平滑，但需要更多的時(shí)間。

圖 5-3 顯示了使用 Keysight E5052B 分析測(cè)量的 SiT5356 精密 TCXO 相位噪聲。使用了兩種平均設(shè)置：無(wú)平均和 16 倍平均。理想情況下，用戶應(yīng)該嘗試幾種不同的平均設(shè)置，以測(cè)量速度和測(cè)量質(zhì)量之間的最佳平衡。

圖 5-3：在沒(méi)有平均和 16x 平均的情況下測(cè)量的相位噪聲。儀器：Keysight E5052B。被測(cè)設(shè)備：SiT5356，10 MHz

從圖 5-3 中可以看出，有和沒(méi)有平均的軌跡都是平滑的，并且在遠(yuǎn)偏移量處幾乎相同，但沒(méi)有平均的軌跡在偏移量附近看起來(lái)非?！班须s”。這種差異主要是由于 Keysight E5052B 分析儀處理數(shù)據(jù)的方式造成的。以高采樣率收集原始相位數(shù)據(jù)。在完整數(shù)據(jù)集上運(yùn)行 FFT 需要大量計(jì)算資源，因此儀器將相位噪聲圖拆分為固定段。這允許對(duì)繪圖段使用不同的分辨率，因此較低的偏移量可以具有更高的分辨率，而遠(yuǎn)處的偏移量可以具有較低的分辨率。這對(duì)于以對(duì)數(shù)水平刻度繪制數(shù)據(jù)非常方便。例如，1 Hz 到 47.7 Hz 是第一段，47.7 Hz 到 190.7 Hz 是下一段，依此類推。為了計(jì)算第一段的 FFT，使用原始數(shù)據(jù)的完整時(shí)間長(zhǎng)度，但通過(guò)跳過(guò)樣本降低了采樣率。對(duì)于下一段，采樣率高于第一段，但序列的持續(xù)時(shí)間減少（參見(jiàn)圖 5-4）。

這種方法還有另一個(gè)好處。在圖 5-4 中，用于計(jì)算段 4 的 FFT 的數(shù)據(jù)具有最大采樣率，但持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。這意味著可以將原始相位數(shù)據(jù)集切割成多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)集，就像圖中用于計(jì)算 FFT 的數(shù)據(jù)集一樣。然后可以為每個(gè)數(shù)據(jù)集單獨(dú)計(jì)算 FFT 并取平均值以獲得更好的段測(cè)量結(jié)果（圖 5-5）。在相位噪聲分析儀文檔中，這個(gè)過(guò)程被稱為執(zhí)行一定數(shù)量的相關(guān)，因?yàn)閳?zhí)行了多個(gè)互相關(guān)的矢量平均。Keysight E5052 手冊(cè)指定了對(duì)相位噪聲圖的每一段應(yīng)用了多少相關(guān)性。這是儀器自動(dòng)執(zhí)行的附加處理，用戶無(wú)法控制。這就是為什么使用 Keysight E5052B 分析儀測(cè)量的相位噪聲跡線在較高偏移下看起來(lái)很平滑，但需要平均以提高偏移附近的測(cè)量質(zhì)量。

圖 5-4：相位噪聲圖中段的拼接

圖 5-5：處理更高頻率段有足夠的數(shù)據(jù)來(lái)運(yùn)行多個(gè)相關(guān)操作并平均結(jié)果

5.4?互相關(guān)

互相關(guān)是另一種改善相位噪聲測(cè)量本底噪聲的技術(shù)。連接到相位噪聲分析儀的被測(cè)信號(hào)被分成兩個(gè)測(cè)量通道，由參考源和?PLL?系統(tǒng)組成。在這兩個(gè)通道的輸出之間應(yīng)用互相關(guān)。來(lái)自被測(cè)信號(hào)的噪聲是相干的，因此不受互相關(guān)操作的影響。來(lái)自測(cè)量通道的噪聲是非相干的，因此它們以?sqrt(M)?的速率通過(guò)互相關(guān)減少，其中?M?是相關(guān)數(shù)。