使用频谱分析仪消除时钟幅度变化对抖动和相位噪声测量的影响
来源：http://www.hneyq.com 作者：亿金电子 2024年12月19
抖动和相位噪声是显著影响现代通信系统性能的关键参数。随着数据速率的不断提高，对这些参数的精确测量和管理的需求变得更加重要。通过采用先进的测量技术并了解抖动和相位噪声之间的相互作用，工程师可以提高高速通信接口的可靠性和效率。
抖动和相位噪声测量的精度直接反映了对使用 clocks 的应用的影响。不准确的测量会导致系统过度设计，从而导致更高的成本和功耗。另一方面，低估抖动和相位噪声会导致系统故障和数据损坏。频谱分析仪通过提供时域信号的频域视图，在评估时钟信号质量方面发挥着至关重要的作用。它们使工程师能够可视化信号的相位和幅度的缺陷，这在相位噪声图中得到同等处理。通过分析相位噪声频谱，工程师可以深入了解时钟信号的抖动特性，从而做出明智的设计决策。测量抖动和相位噪声的挑战之一是时钟幅度变化的影响。这些变化会掩盖信号的准确抖动和相位噪声特性，从而导致评估不准确。
抖动和相位噪声对应用的影响
ITU-T 将抖动定义为与假定的周期性信号的真实周期性的偏差，通常根据参考时钟信号进行测量。低于 10 Hz 的偏差频率被归类为漂移，等于或高于 10 Hz 的偏差频率被归类为抖动。
时钟抖动会显著影响传输信号的眼图，这对于评估高速数字通信系统的质量至关重要。眼图通过叠加多个波形来直观地表示信号质量，眼图张开表示时序和电压裕量。当 clock jitter 发生时，它会导致 signal edges 的 timing 出现偏差，从而导致眼图张开度变窄。眼图尺寸的减小使接收器更难对数据进行精确采样，尤其是在更高的数据速率下，相同的抖动量代表更重要的位周期百分比。较高的抖动值会在传输系统中引入更高的误码率，因为正确的检测概率会随着眼图的窄而降低。抖动的影响可能因其幅度、类型和使用的测量带宽而异。确定性抖动可以产生不对称的眼图张开度，而随机抖动会均匀地减小眼图大小。
电信标准组织（如 ITU-T）为 SONET（同步光纤网络）和 SDH（同步数字体系）等系统定义了 12 kHz 至 20 MHz 抖动带宽。这些标准有助于保持信号完整性和同步性，确保不同设备和网络之间的互操作性。该系列的选择作为这些传统标准的一部分被广泛采用，并继续应用于其他现代传输系统。带宽范围已发展成为传输系统中使用的标准范围，因为它可以有效地捕获对系统性能产生重大影响的抖动分量，即使基于以太网的更高传输速度系统使用更高的带宽来指定抖动。
相位噪声主要与正交调制系统有关，其中任何相位移动都会使信号星座图模糊不清。这种涂抹会对误差矢量幅度 （EVM） 产生不利影响，这是衡量信号质量的关键指标;因此，最小化 clock 的 EVM 贡献对于保持信号完整性至关重要。在这些系统中，来自接近载波频率和非常高频的频率偏移的相位噪声变得越来越重要。当帧大小范围从几毫秒到几十毫秒时，近载波频率表现出较小的变化，这有助于保持星座的简洁和独特。
相反，较高的频率偏移对于保持星座的清晰度至关重要，因为它们有助于减轻相位噪声的影响。随着通信系统向更高阶的调制方案发展，例如 256 QAM 甚至 1024 QAM，必须最大限度地减少参考振荡器的相位噪声贡献。高阶调制需要更清晰的信号，以防止误码率增加，这使得参考振荡器的质量成为实现可靠和高效数据传输的关键因素。总之，管理相位噪声并确保时钟振荡器的最小贡献对于优化高级调制系统的性能、提高整体通信可靠性至关重要。
参考时钟解决方案的幅度变化
多个源会导致振幅变化对振荡器产生影响。振幅-频率影响对应于谐振器频率对振荡水平的依赖性，表现为振幅和相位谐振曲线的失真。振荡器设计注意尽可能减少影响。然而，在所有实际的振荡器中，由于振荡技术的固有性质，可能会发生振幅变化。与其他振荡器技术相比，石英晶体振荡器对振幅-频率效应的影响最小。
电源噪声通过引入提供给振荡器的电压波动来增加振荡器幅度噪声。这些电压变化会影响输出幅度，即使是很小的比例，尤其是在敏感情况下。
振荡器的随机游走行为是指由于随机噪声过程，振荡器的相位或频率随时间逐渐漂移的现象。这种随机游走通常由各种噪声源驱动，例如热噪声、闪烁噪声或其他环境变化，随着时间的推移而累积。虽然这主要影响相位或频率稳定性，但导致相位或频率随机移动的噪声过程也会影响信号的幅度。必须强调的是，这对信号稳定性的贡献几乎可以忽略不计，除了长期保持行为的振荡器。
幅度变化不会影响系统，因为终端系统更关心相位变化，从而导致抖动和相位噪声。正如我们在本技术说明的后面部分所看到的，测量系统还将在测量结果中包括信号幅度变化的影响，这会导致有关 clock's 性能的信息不准确。
幅度变化对输出相位噪声频谱的影响
在相位噪声测量系统中，DUT 信号与本地参考混合，混频器充当相位检测器，产生取决于相位误差的电压信号电平，然后通过 ADC 测量并执行 FFT 分析。该系统的典型框图如下所示 ：
一种改进的相位噪声和抖动测量方法
虽然时钟信号的幅度变化不会直接影响通信系统的性能，但它们会显著影响相位噪声测量的结果。这是因为通常用于相位噪声测量的频谱分析仪对幅度和相位波动的处理相同。因此，测得的相位噪声频谱可能包括幅度变化的贡献，从而导致准确相位噪声特性的表示不准确。为了解决这个问题，已经提出了一种方法，可以在测量过程中将相位噪声的影响与幅度变化隔离开来。
在执行相位噪声测量之前，时钟信号应通过高质量的缓冲器或限幅器，以限制其幅度变化。一个高增益、设计良好的 clock buffer 将限制 amplitude 变化，只传递相位变化。这确保了提供给相位噪声测量设备的信号具有稳定的幅度，从而最大限度地减少了幅度波动对测量的影响。
该技术说明提出了一种新技术，通过解决时钟幅度变化的影响，提高通信系统中抖动和相位噪声测量的精度。抖动和相位噪声对于评估信号质量至关重要，准确的测量可以带来更好的系统设计或数据损坏。测量这些参数的主要挑战之一是时钟信号中的幅度波动，当使用频谱分析仪时，这可能会扭曲准确的抖动和相位噪声特性。通常，频谱分析仪对幅度和相位波动的处理方式相同，如果不控制幅度变化，会导致相位噪声的表示不准确。
为了缓解这个问题，该说明建议在执行相位噪声测量之前使用缓冲器或限幅器。通过这些缓冲器传递时钟信号，幅度变化被最小化，使频谱分析仪能够专注于更精确地测量相位噪声。该技术将相位噪声与幅度噪声隔离开来，更准确地表示信号的实际性能。该缓冲器在精确定时和低抖动对于高速数据传输至关重要的系统中尤为重要，因为它可以确保幅度引起的失真不会破坏测量结果。
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