相位噪声就是指石英晶体振荡器在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化,描述无线电波的三要素是幅度,频率,相位.频率和相位相互影响.理想情况下,固定频率的无线信号波动周期是固定的,正如飞机的正常航班一样,起飞时间是固定的.频域内的一个脉冲信号(频谱宽度接近0)在时域内是一定频率的正弦波.低相位噪声是有源晶振中重要的一个性能.下面康比电子为广大用户简述一下关于石英晶体振荡的的噪声及抖动.
噪声和抖动简介
频率系统性能的测量是它的稳定性,即在合适的测量上频率的波动水平.目标是将这些波动保持在最低限度;然而,噪声和抖动在系统中是不可避免的,并且会对性能产生负面影响.
抖动:基本介绍
考虑一个有两种状态的信号,“开”或“关”.该信号在脉冲之间具有恒定的时间周期,并且所有脉冲的长度相等.
由于信号的性质,很容易预测下一个脉冲何时到达.如果你想建立一个利用这个脉冲特性的系统,你可以这样做;例如,如果两个脉冲之间的时间是几秒钟的倍数,你可以根据这个信号制作一个非常简单的定时装置.
然而在现实中,没有什么事情是这么简单的.再次考虑这个信号,但是现在也考虑一些破坏它的东西.这种“噪声”,无论是来自脉冲内部还是外部参数,偶尔都会导致脉冲提前到达.
这本质上是抖动,可能会导致系统性能下降.
噪声基础
噪声是来自内部或外部源的信号中的任何不想要的信息,一些是不可避免的,而另一些则可以从系统中移除.
内部噪声(约翰逊-奈奎斯特噪声)
有时称为热噪声或白噪声,是元件内电荷载流子热运动的结果.噪声水平取决于部件的电阻和温度,并且在所有频率下都是相同的,因此是不可降低的.约翰逊噪声与带宽成正比,其变化本质上是高斯的.这可以从功率谱密度得到.高斯意味着它均匀分布在中心点的两侧,中心点是平均值或平均值.它是一个钟形曲线或正常曲线,如图1所示.
图1-示例高斯分布曲线
散粒噪声
构成电流的电子的离散特性也在元件中引起噪声.这在极低电流应用中变得非常重要.这也是白色的,不可约的.
闪烁噪声
尽管Johnson和Shot噪声独立于电路和晶振元件设计,闪烁噪声却不是.闪烁噪声(也称为粉红噪声)在低频占主导地位,是由于元件性能的瞬时波动.它遵循类似于功率=1/f的趋势,其中f是频率.因此,随着频率的增加,闪烁噪声的功率趋于0.图2.
图2
外噪声
这是一种干扰.例子包括50Hz电源线路,电容和磁耦合.如果没有适当的预先考虑,这可能会成为一个问题.
随机游动
这是晶体结构本身固有的,包括冲击和振动等环境源.这些很长
图3
抖动和相位噪声
影响晶体本身结构的术语因素可以被忽略.随机游走通常被定义为小于10Hz,而不是抖动.
量化噪声
通常表示为信噪比(SNR):以分贝为单位定义为SNR=20log10(Vs2/VN2)(1)其中Vs和VN分别是信号和噪声的均方根电压.
相位噪声
对于这个讨论,我们感兴趣的是围绕给定点振荡的均匀周期波形.例如,在地(0V)和电源电压(Vs)之间振荡的方波.我们将考虑输出通过Vs上升的点作为阈值参考有源晶振电压,并使用该值测量脉冲的上升沿.我们不考虑上升沿0V的任何增加,因为这可能是随机噪声.或者,我们可以考虑一个关于水平x轴对称的正弦波,其中x=0是我们的测量参考点,0V线.我们有效地寻找原始波形和接收波形之间的相位差,即信号的抖动.抖动用时间或单位间隔来描述,而相位噪声用弧度或度数来描述.例如,考虑一个均匀的方波,它在0V和+Vs之间以1MHz的频率振荡,然而,感应到电路中的是噪声,这意味着信号提前到达Vs.如图3所示,最终波形比之前的波形更快地越过阈值电压Vs;因为噪声导致波形提前到达.在这种情况下,在0V下花费的时间是先前波形的一半.使用:T=1/f(2)
我们知道整个周期需要1秒.所以这个波形提前250秒到达.这是250纳秒的抖动或π或90°的相移.可以通过数学分析来更清楚地描述相移和抖动的例子是正弦波形.正弦曲线可以用以下形式书写:f(t)=Asin(ωt+θ)(3)其中A是波的最大振幅,ω=2πf,θ是相移.
例子:
考虑以下情况,x是频率为1Hz的正弦曲线.波形方程为x=sin2πt.然而,噪声存在,并导致波异相移动.图4,5和6.
我们有一个0V的阈值电压,当波穿过水平x轴时记录时间.当时间穿过x轴时,测量值为0.4375秒.这是0.0625秒的抖动.由此我们可以计算出相移.从(3):f(t)=Asin(ωt+θ)f(t)=Asin(2πft+θ)f(t)=Asin(2πt+θ),f=1
f(t)=Asin(2πx0.4375+θ),因为波是0.4375s早期f(t)=Sin(2πx0.4375+θ),因为A=10=2πx0.4375+θ,在f(t)=00=0.875π+θ-θ=0.875πθ=0.125π
θ=1/8π相移
图4-异相波形
图5-同一轴上的波形
图6-粉色波形异相
相位噪声图
在前面的例子中,分析了单一的噪声事件;然而,检查信噪比(SNR)如何随着频率或噪声的变化而变化也是有用的.这绘制在一个曲线图上,在Y轴上显示SNR值,在X轴上显示距基频的距离.频率离基频越远,SNR将变得越小,如图7所示.
图7
从图表中,你可以找出不同的兴趣点,例如,3dB频率,SNR的功率减半.这使得能够绘制显示相位噪声与偏移的图表.
图8中的图表分解了石英晶体振荡器所经历的相位噪声源.相位噪声图被分成五个主要区域,在水平X轴上与基频有距离,在垂直Y轴上有SNR.你可以观察到闪烁角,闪烁噪声在信号中成为可忽略的因素;在这一点上,高于这个角频率的所有噪声变得不可减少.这与前面标注了噪声区域的图表非常相似.
图8-频率噪声图
测量抖动
在介绍了抖动的基本概念之后,控制抖动的原则是合乎逻辑的和直接的;事实上,这是对理想波形和非理想波形之间差异的测量.然而,实际上进行测量可能相当复杂.在前面的例子中,我们将测量信号与理论上的理想信号进行了比较.然而,在现实世界中,没有信号是完美的,要进行测量,你必须有一个干净的信号来比较,即一个噪声非常小的信号.
周期和周期间抖动
周期抖动是时钟周期应该处于的位置和它看起来所处的点之间的差值.这是理想脉冲应该到达的时间和脉冲实际到达的时间之间的时间差.
周期间抖动是两个连续时钟周期之间的差值,由此引入系统的抖动导致下一个理想信号的变化.
例如,考虑一个在地和+Vs之间振荡的均匀波形,其标称周期为T.然而,抖动会导致波形在某个时间到达.我们可以说周期到周期抖动是T-t.周期到周期抖动很难测量,因为理想波形的周期是基于前一个波形的周期.为了找到下一个周期到周期的抖动,我们将下一个周期的周期与前一个周期进行比较.这通常需要使用能够测量比波形频率更快的信号的高速定时设备.
一种方法是将长期标称频率的平均值作为参考.假设噪声是随机的,并且具有高斯分布曲线,其平均值为0.由此可见,平均频率不会与理论标称频率不同.然后在短时间内测量这个平均值的微小变化,给你信号的抖动.然而,当你考虑取暖,改变环境因素和随意走动时,这可能会导致问题.另一种方法是使用参考信号,一种与感兴趣的成分具有相同标称频率的干净源.贴片晶振需要具有可控频率.我们需要用合适的反馈系统消除所有外部干扰.我们也需要创建一个反馈回路来保持它们的平均长期频率相同,这被称为锁相.你将可控源“锁定”在感兴趣的成分上,比较它们的长期平均频率.这消除了随机行走的问题,因为它允许测量信号行走,而可控源由于反馈回路而“行走”等量.即使组件被锁定在一个循环中,它仍然会抖动.出于测量目的,我们对信号何时超过阈值电压感兴趣.(我们定义的兴趣点;在前面的例子中,给出了X轴上Vs的1/2.))
我们感兴趣的是抖动在两个分量的阈值电压中造成时间差的点.这两次的差异将向我们展示组件的抖动.根据这些值,我们可以绘制记录值的直方图.
均方根抖动(σ)
根据所示示例,记录的数据以高斯分布曲线呈现,也就是说,它遵循正态分布模式.抖动的随机来源通常就是这种情况.
从这些数据的高斯分布可以得出一个有趣的观察结果.我们可以通过它的宽度来确定均方根抖动σ.此外,我们还可以观察到平均抖动为0,这仅是理想高斯分布的情况.
峰间抖动
描述测量的抖动的另一种方式是通过取均方根值的合理大倍数来显示峰值.常见选择是使用14σ的峰峰值(pk-pk)值.任何超出此范围的值都将非常罕见,几乎可以忽略不计.如果系统在两点之间有界,那么最坏的情况就是系统有界边缘之间的峰值.然而,请注意,这是假设有界边不允许输出电平在定义的边之上或之下有任何波动.图9.
图9
对于不适合高斯或有界场景的系统,我们使用类似于高斯系统的程序.我们取样本的平均值,从这一点开始,移动足够远,以至于这些点的抖动很少,可以忽略不计.
抖动的频率分析
另一种显示抖动的方法是通常通过使用频谱分析仪在频域中进行测量.再一次,我们比较了如上所述的清洁无噪声源,两者都被锁相以允许行走.在一个理想的世界里,我们会在显示器上看到一个峰值响应,但是实际上它会显示一个清晰的信号,两边都有裙子;这些裙部是破坏信号的抖动的产物.通常由于粉红色噪声,信号的两侧可能会出现低幅度尖峰或杂散.
图10.请注意,当波形变宽并远离主频率时,主信号和裙边的定义尖峰.
图10-抖动的示例频谱分析图
量化抖动
上面我们展示了如何通过使用信噪比来量化噪声,而对于抖动,我们通常将其表示为预期脉冲和实际到达的脉冲之间的时间差.对于在兆赫范围内工作的系统,通常以皮秒为单位量化抖动测量值.
振荡器中的抖动
如果振荡器设计正确,并且输出频率与压电石英晶振的固有谐振频率相匹配,则振荡器中的抖动应该仅来自随机源.振荡器中的随机抖动应该足够小,以皮秒为单位进行测量.所有振荡器都应该是这种情况,即使对于那些其输出是从晶体振荡器的正弦波输出导出的方波信号的振荡器也是如此.
由于可编程晶体振荡器输出频率的产生方式,其抖动通常较大.他们通常使用锁相环(PLL)的频率生成方法,这可以增加他们对抖动的敏感度,通常在100psrms的数量级.考虑可能从外部系统引入系统的抖动是有用的.如果低抖动信号对于系统的工作是必不可少的,那么选择具有低抖动值的组件是不够的,应该决定设计一种将抖动最小化的电路.例如,屏蔽部件和电路免受干扰可能就足够了,或者在电源线中放置简单的RC滤波器可以帮助衰减来自电源的所有高压纹波.振荡器的输出信号可能是纯净的,但是它所在的电路很容易受到噪声和抖动的影响.
抖动效应
由于大多数数字系统依赖通用时钟总线,我们关心的是一个电路是否能容忍时钟脉冲定时的任何微小变化.
在数字通信系统中,编码数据通常被长距离发送,然后一旦接收就被解码.然而,需要有一个公共时钟来允许脉冲被解码,并且如果其中任何一个的时钟受到抖动的影响,则可能会有来自源的数据完整性的一些损失.同样,在选择合适的石英晶振之前,值得考虑你的应用.
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